Stochastic modelling of bacterial dynamics : adhesion & range expansion

Abstract

Bacteria, as one of the three domains in the tree of life, play an important role in many phenomena such as biocorrosion, pipe clogging and infections. Since treatment with antibiotics or mechanical removal can be difficult, it is paramount to understand the initial attachment to a substrate and the subsequent colony growth. To this end, this thesis investigates first the adhesion process of Staphylococcus aureus by Monte Carlo simulations and helps to reveal that the bacterium uses different binding mechanisms on hydrophobic and hydrophilic substrates. On hydrophobic substrates, the bacterium's macromolecules bind freely. Subsequently, the bacteria show large cell-to-cell variation in adhesion forces but only small variations by repetitions with the same cell. On hydrophilic substrates, the macromolecules need to overcome a potential barrier. This leads to a comparable variability between repetitions with the same cell and the cell-to-cell variance. As a second model system, I investigated the competitive range expansion of microbial colonies with heterogeneous mechanical interactions by stochastic simulations. This is, for instance, realised by a network of piliated bacteria such as Neisseria gonorrhoeae. The simulations reveal that a heterogeneous susceptibility to division generated pushing significantly affects the competition dynamics of growing bacteria. Furthermore, homogeneous pushing leads to a small but standing variation of a disadvantaged subpopulation inside the expanding colony.

Bakterien spielen in vielen Lebensbereichen wie beispielsweise Biokorrosion, Verstopfung von Rohren oder Infektionen eine zentrale Rolle. Da sich ihre Entfernung mittels Antibiotika oder mechanischer Methoden als schwierig erweisen kann, ist es wichtig die initiale Adhäsion und das nachfolgende Wachstum grundlegend zu verstehen. Zuerst wurde das Adhäsionsverhalten von Staphylococcus aureus auf hydrophilen und hydrophoben Oberflächen mittels Monte Carlo Simulationen untersucht. Es zeigt sich, dass die Adhäsion durch Makromoleküle der Zellwand vermittelt wird, von denen viele auf hydrophoben Oberflächen binden können. Dies resultiert in einer hohen Variabilität der Adhäsionskräfte innerhalb der Population, während Wiederholungen mit derselben Zelle ähnlich verlaufen. Auf hydrophilen Oberflächen selektiert jedoch eine Potentialbarriere stochastisch die bindenden Makromoleküle. Dies führt zu einer vergleichbaren Variabilität der Adhäsionskräfte zwischen Wiederholungen mit derselben Zelle und der Gesamtpopulation. Als zweites Modellsystem betrachtete ich das kompetitivem Koloniewachstum von pilierten Neisseria gonorrhoeae Bakterien. Zur Beschreibung dieser entwickelte ich ein minimales stochastisches Model von kompetitivem Koloniewachstum mit heterogenen mechanischen Wechselwirkungen. Die Simulationen zeigen, dass eine heterogene Suszeptibilität der Bakterien gegenüber Kräften, welche durch Zellteilung generiert werden, das kompetitive Wachstum maßgeblich beeinflussen.