CIF: Small: Understanding Microbial Signaling Through a Communication Theoretic Lens
CIF:小:通过通信理论镜头了解微生物信号传导
基本信息
- 批准号:1718560
- 负责人:
- 金额:$ 18万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2017
- 资助国家:美国
- 起止时间:2017-09-01 至 2019-03-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Bacteria are single-celled organisms wherein the intracellular components such as proteins, DNA and metabolites do not exist in individual components, but are contained by the cell membrane. They constitute some of the earliest forms of life (over three billion years old), and have an aggregate biomass that is larger than that of all animals and plants combined, numbering over five nonillion (5 x 10^{30}). Despite their simplicity, the operations and interactions of bacteria are not fully understood, yet microbial communities play a significant role in bioremediation, plant growth promotion, human and animal digestion, disease and drive elemental cycles, the carbon-cycle and the cleaning of water. Thus, it is of significant interest to further understand microbial populations. An interdisciplinary approach toward the understanding of cooperative and anti-cooperative behavior in microbial populations with a focus on signaling methods such as molecular diffusion and electron transfer will be undertaken. The research objective is to investigate biological group behaviors that exploit a variety of coupling mechanisms in order to form structures. In particular, microbial communities that are able to form structures at different scales will be examined. Problems relevant to two key applications motivate the research: microbial fuel cell optimization and infection initiation and suppression and the relationship to quorum sensing. In quorum sensing, when the concentration of a compound produced by the bacteria exceeds a threshold, the bacteria express new genes leading to new community behavior such as luminescence or infection.The hope is that the fruits of the research will result in novel bio-inspired systems that naturally rely on principles of multi-modal sensing and different modalities of control and environmental conditions. More ambitiously, design methods by which structures in microbial communities can be induced are sought. Ongoing collaborations with biophysicists that have been instrumental in model design and validation via experimental data will be leveraged. Given the expertise of key collaborators, two strains of bacteria will be the focus: Pseudomonas aeruginosa and Shewanella oneidensis MR-1. In particular: (1) can one optimize the operation of microbial fuel cells exploiting electron transfer in bacterial populations and (2) can one design strategies to understand quorum sensing and potentially prevent infection without the use of antibiotics? Key questions to address include assessing what is the minimal amount information needed in order for distributed entities to form desired structures and geometries as well as engage in desired behaviors. Bacteria have limited capabilities and the distinctions between communication, respiration, and ingestion can often be minimal. These activities can provide either explicit or implicit avenues of communication and thus can exact a control. Specific problems include: molecular modulation design, bacterial cable formation via multi-terminal communication methods, models for quorum sensing including game theoretic approaches and multicellular interaction.
细菌是单细胞生物,其中细胞内成分如蛋白质、DNA和代谢物并不存在于单个成分中,而是包含在细胞膜中。它们构成了一些最早的生命形式(超过三十亿年),其总生物量大于所有动植物的总生物量,数量超过五百亿(5 x 10^{30})。 尽管细菌的运作和相互作用很简单,但尚未完全了解,但微生物群落在生物修复、植物生长促进、人类和动物消化、疾病和驱动元素循环、碳循环和水净化方面发挥着重要作用。因此,进一步了解微生物种群具有重要意义。将采用跨学科方法来理解微生物群体的合作和反合作行为,重点是分子扩散和电子转移等信号传导方法。研究目标是研究利用各种耦合机制形成结构的生物群体行为。特别是,将检查能够形成不同尺度结构的微生物群落。与两个关键应用相关的问题推动了这项研究:微生物燃料电池优化、感染引发和抑制以及与群体感应的关系。在群体感应中,当细菌产生的化合物浓度超过阈值时,细菌会表达新基因,从而导致新的群落行为,例如发光或感染。希望这项研究的成果将产生新的生物启发系统自然依赖于多模式传感原理以及不同的控制模式和环境条件。更雄心勃勃的是,寻找可以诱导微生物群落结构的设计方法。将利用与生物物理学家的持续合作,这些合作在模型设计和通过实验数据进行验证方面发挥了重要作用。鉴于主要合作者的专业知识,两种细菌菌株将成为焦点:铜绿假单胞菌和希瓦氏菌 MR-1。特别是:(1)能否利用细菌群体中的电子转移来优化微生物燃料电池的运行;(2)能否设计一种策略来理解群体感应并在不使用抗生素的情况下潜在地预防感染?要解决的关键问题包括评估分布式实体形成所需结构和几何形状以及参与所需行为所需的最少信息量。细菌的能力有限,沟通、呼吸和摄入之间的区别通常很小。这些活动可以提供显式或隐式的通信途径,从而可以精确控制。 具体问题包括:分子调制设计、通过多终端通信方法形成细菌电缆、群体感应模型(包括博弈论方法和多细胞相互作用)。
项目成果
期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Bacterial Quorum Sensing as a Networked Decision System
细菌群体感应作为网络决策系统
- DOI:10.1109/icc.2018.8422668
- 发表时间:2018-05
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Vasconcelos, Marcos M.;Mitra, Urbashi;Camara, Odilon;Silva, Kalinga Pavan;Boedicker, James
- 通讯作者:Boedicker, James
A sequential decision making model of bacterial growth via quorum sensing
通过群体感应建立细菌生长的顺序决策模型
- DOI:10.1109/acssc.2018.8645325
- 发表时间:2018-10
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Vasconcelos, Marcos M.;Camar, Odilon;Mitra, Urbashi;Boedicker, James
- 通讯作者:Boedicker, James
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稳健的分子通信:DFE-SPRT 和同步
- DOI:10.1109/icc.2019.8761054
- 发表时间:2019-05-20
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Tze;U. Mitra
- 通讯作者:U. Mitra
A sequential decision making model of bacterial growth via quorum sensing
通过群体感应建立细菌生长的顺序决策模型
- DOI:
- 发表时间:2018-10
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Vasconcelos, M;Camara, O;Mitra, U;Boedicker, J
- 通讯作者:Boedicker, J
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- DOI:10.1109/istc.2018.8625364
- 发表时间:2018-12-01
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Tze;U. Mitra
- 通讯作者:U. Mitra
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