Abstract In liquid droplets, the balance of interfacial energies and substrate elasticity determines the shape of the droplet and the dynamics of wetting. In living cells, interfacial energies are not constant, but adapt to the mechanics of their environment. As a result, the forces driving the dynamics of wetting for cells and tissues are unclear and may be context specific. In this work, using a combination of experimental measurements and modeling, we show the surface tension of cell aggregates, as models of active liquid droplets, depends upon the size of the aggregate and the magnitude of applied load, which alters the wetting dynamics. Upon wetting rigid substrates, traction stresses are elevated at the boundary, and tension drives forward motion. By contrast, upon wetting compliant substrates, traction forces are attenuated, yet wetting occurs at a comparable rate. In this case, capillary forces at the contact line are elevated and aggregate surface tension contributes to strong outward, pressure-driven cellular flows. Thus, cell aggregates adapt to the mechanics of their environments, using pressure and traction as compensatory mechanisms to drive robust wetting.

Summary Epithelial tissues are inevitably damaged from time to time and must therefore have robust repair mechanisms. The behaviour of tissues depends on their mechanical properties and those of the surrounding environment 1 . However, it remains poorly understood how tissue mechanics regulates wound healing, particularly in in vivo animal tissues. Here we show that by tuning epithelial cell junctional tension, we can alter the rate of wound healing. We observe cells moving past each other at the wound edge by intercalating, like molecules in a fluid, resulting in seamless wound closure. Using a computational model, we counterintuitively predict that an increase in tissue fluidity, via a reduction in junctional tension, can accelerate the rate of wound healing. This is contrary to previous evidence that actomyosin tensile structures are important for wound closure 2–6 . When we experimentally reduce tissue tension, cells intercalate faster and wounds close in less time. The role we describe for tissue fluidity in wound healing, in addition to its known roles in developing 7,8 and mature tissues 9 , reinforces the importance of the fluid state of a tissue.

ABSTRACT Molecular motors embedded within collections of actin and microtubule filaments underlie the dynamic behaviors of cytoskeletal assemblies. Understanding the physics of such motor-filament materials is critical to developing a physical model of the cytoskeleton and the design of biomimetic active materials. Here, we demonstrate through experiments and simulations that the rigidity and connectivity of filaments in active biopolymer networks regulates the anisotropy and the length scale of the underlying deformations, yielding materials with varying contractility. Semi-flexible filaments that can be compressed and bent by motor stresses undergo deformations that are predominantly biaxial. By contrast, rigid filament bundles contract via actomyosin sliding deformations that are predominantly uniaxial. Networks dominated by filament buckling are robustly contractile under a wide range of connectivities, while networks dominated by actomyosin sliding can be tuned from contractile to extensile through reduced connectivity via cross-linking. These results identify physical parameters that control the forces generated within motor-filament arrays, and provide insight into the self-organization and mechanics of cytoskeletal assemblies.

The actomyosin cortex is an active material that generates force to drive shape changes via cytoskeletal remodeling. Cytokinesis is the essential cell division event during which a cortical actomyosin ring closes to separate two daughter cells. Our active gel theory predicted that actomyosin systems controlled by a biochemical oscillator and experiencing mechanical strain would exhibit complex spatiotemporal behavior. To test whether active materials in vivo exhibit spatiotemporally complex kinetics, we imaged the C. elegans embryo with unprecedented temporal resolution and discovered that sections of the cytokinetic cortex undergo periodic phases of acceleration and deceleration. Contractile oscillations exhibited a range of periodicities, including those much longer periods than the timescale of RhoA pulses, which was shorter in cytokinesis than in any other biological context. Modifying mechanical feedback in vivo or in silico revealed that the period of contractile oscillation is prolonged as a function of the intensity of mechanical feedback. Fast local ring ingression occurs where speed oscillations have long periods, likely due to increased local stresses and, therefore, mechanical feedback. Fast ingression also occurs where material turnover is high, in vivo and in silico. We propose that downstream of initiation by pulsed RhoA activity, mechanical feedback, including but not limited to material advection, extends the timescale of contractility beyond that of biochemical input and, therefore, makes it robust to fluctuations in activation. Circumferential propagation of contractility likely allows for sustained contractility despite cytoskeletal remodeling necessary to recover from compaction. Thus, like biochemical feedback, mechanical feedback affords active materials responsiveness and robustness.

Abstract Gap closure is a common morphogenetic process. In mammals, failure to close the embryonic hindbrain neuropore (HNP) gap causes fatal anencephaly. We observed that surface ectoderm cells surrounding the mouse HNP assemble high-tension actomyosin purse-strings at their leading edge and establish the initial contacts across the embryonic midline. The HNP gap closes asymmetrically, faster from its rostral than caudal extreme, while maintaining an elongated aspect ratio. Cell-based physical modelling identifies two closure mechanisms sufficient to describe tissue-level HNP closure dynamics; purse-string contraction and directional cell crawling. Combining both closure mechanisms hastens gap closure and produces a constant rate of gap shortening. Purse-string contraction reduces, whereas crawling increases gap aspect ratio, and their combination maintains it. Closure rate asymmetry can be explained by embryo tissue geometry, namely a narrower rostral gap apex. At the cellular level, our model predicts highly directional cell migration with a constant rate of cells leaving the HNP rim. These behaviours are reproducibly live-imaged in mouse embryos. Thus, mammalian embryos coordinate cellular and tissue-level mechanics to achieve this critical gap closure event.

Proliferating bacterial cells exhibit stochastic growth and size dynamics but the regulation of noise in bacterial growth and morphogenesis remains poorly understood. A quantitative understanding of morphogenetic noise control, and how it changes under different growth conditions, would provide better insights into cell-to-cell variability and intergenerational fluctuations in cell physiology. Using multigenerational growth and width data of single Escherichia coli and Caulobacter crescentus cells, we deduce the equations governing growth and size dynamics of rod-like bacterial cells. Interestingly, we find that both E. coli and C. crescentus cells deviate from exponential growth within the cell cycle. In particular, the exponential growth rate increases during the cell cycle, irrespective of nutrient or temperature conditions. We propose a mechanistic model that explains the emergence of super-exponential growth from autocatalytic production of ribosomes, coupled to the rate of cell elongation and surface area synthesis. Using this new model and statistical inference on large datasets, we construct the Langevin equations governing cell size and size dynamics of E. coli cells in different growth conditions. The single-cell level model predicts how noise in intragenerational and intergenerational processes regulate variability in cell morphology and generation times, revealing quantitative strategies for cellular resource allocation and morphogenetic noise control in different growth conditions.

Abstract Bacteria have evolved to develop multiple strategies for antibiotic resistance by effectively reducing intra-cellular antibiotic concentrations or antibiotic binding affinities, but the role of cell morphology on antibiotic resistance remains poorly characterized. By analyzing cell morphological data of different bacterial species under antibiotic stress, we find that bacterial cells robustly reduce surface-to-volume ratio in response to most types of antibiotics. Using quantitative modelling we show that by reducing surface-to-volume ratio, bacteria can effectively reduce intracellular antibiotic concentration by decreasing antibiotic influx. The model predicts that bacteria can increase surface-to-volume ratio to promote antibiotic dilution if efflux pump activity is reduced, in agreement with data on membrane-transport inhibitors. Using the particular example of ribosome-targeting antibiotics, we present a systems-level model for the regulation of cell shape under antibiotic stress, and discuss feedback mechanisms that bacteria can harness to increase their fitness in the presence of antibiotics.

Morphogenesis of epithelial tissues requires tight spatiotemporal coordination of cell shape changes. In vivo, many tissue-scale shape changes are driven by pulsatile contractions of intercellular junctions, which are rectified to produce irreversible deformations. The functional role of this pulsatory ratchet and its mechanistic basis remain unknown. Here we combine theory and biophysical experiments to show that mechanosensitive tension remodelling of epithelial cell junctions promotes robust epithelial shape changes via ratcheting. Using optogenetic control of actomyosin contractility, we find that epithelial junctions show elastic behaviour under low contractile stress, returning to their original lengths after contraction, but undergo irreversible deformation under higher magnitudes of contractile stress. Existing vertex-based models for the epithelium are unable to capture these results, with cell junctions displaying purely elastic or fluid-like behaviours, depending on the choice of model parameters. To describe the experimental results, we propose a modified vertex model with two essential ingredients for junction mechanics: thresholded tension remodelling and continuous strain relaxation. First, a critical strain threshold for tension remodelling triggers irreversible junction length changes for sufficiently strong contractions, making the system robust to small fluctuations in contractile activity. Second, continuous strain relaxation allows for mechanical memory removal, enabling frequency-dependent modulation of cell shape changes via mechanical ratcheting. Taken together, the combination of mechanosensitive tension remodelling and junctional strain relaxation provides a robust mechanism for large-scale morphogenesis.

Collective cell behaviors, including tissue remodeling, morphogenesis and cancer metastasis rely on dynamics between cells, their neighbors and the extracellular matrix. The lack of quantitative models precludes understanding of how cell-cell and cell-matrix interactions regulate tissue-scale force transmission to guide morphogenic processes. We integrate biophysical measurements on model epithelial tissues and computational modelling to explore how cell-level dynamics alter mechanical stress organization at multicellular scales. We show that traction stress distribution in epithelial colonies can vary widely for identical geometries. For colonies with peripheral localization of traction stresses, we recapitulate previously described mechanical behavior of cohesive tissues with a continuum model. By contrast, highly motile cells within colonies produce traction stresses that fluctuate in space and time. To predict the traction force dynamics, we introduce an Active Adherent Vertex Model (AAVM) for epithelial monolayers. AAVM predicts that increased cellular motility and reduced intercellular mechanical coupling localize traction stresses in the colony interior, in agreement with our experimental data. Furthermore, the model captures a wide spectrum of localized stress production modes that arise from individual cell activities including cell division, rotation, and polarized migration. This approach provides a robust quantitative framework to study how cell-scale dynamics influence force transmission in epithelial tissues.

Rod-shaped bacterial cells can readily adapt their lengths and widths in response to environmental changes. While many recent studies have focused on the mechanisms underlying bacterial cell size control, it remains largely unknown how the coupling between cell length and width results in robust control of rod-like bacterial shapes. In this study we uncover a universal surface-to-volume scaling relation in Escherichia coli and other rod-shaped bacteria, resulting from the preservation of cell aspect ratio. To explain the mechanistic origin of aspect-ratio control, we propose a quantitative model for the coupling between bacterial cell elongation and the accumulation of an essential division protein, FtsZ. This model reveals a mechanism for why bacterial aspect ratio is independent of cell size and growth conditions, and predicts cell morphological changes in response to nutrient perturbations, antibiotics, MreB or FtsZ depletion, in quantitative agreement with experimental data.