Growing tissue and bacterial colonies are active matter systems where cell divisions and cellular motion generate active stress. Although they operate in the non-equilibrium regime, these biological systems can form large-scale ordered structures. During growth mechanical instabilities also play essential roles by generating large structural folding. Growing aligned fibers and bundles can accumulate stress and buckle. The dynamics of active nematics and mechanical properties of growing material are intricately coupled. How mechanical instabilities drive the dynamics of active matter systems and form ordered structures are not well understood. In this thesis, we use chaining Bacillus subtilis, also known as a biofilm, to study the relation between mechanical instabilities and nematic ordering. We find that bacterial biofilms have intrinsic length scales above which a series of mechanical instabilities occur. Localized stress and friction drive buckling and edge instabilities which further create nematically aligned structures and topological defects. We also observe that topological defects control stress distribution and initiate the formation of sporulation sites by creating three-dimensional structures. In this study we propose an alternative active matter platform to study the essential roles of mechanics in growing biological tissue.

Büyüyen dokular ve bakteri kolonileri, hücre bölünmesinin ve hücresel hareketlerin aktif stres oluşturduğu sistemlerdir. Bu biyolojik sistemler dengesiz rejimde olmalarına rağmen büyük ölçekli düzenli yapılar oluşturabilirler. Buna ek olarak, büyüme sırasında mekanik dengesizlikler yapısal kıvrımlar oluşturarak büyüme işleminde önemli bir rol oynar. Örnek olarak, büyüyen hizalanmış bakteri fiberleri ve demetleri, mekanik stresi biriktirip burkulmaya sebep olurlar. Büyüyen malzemelerin mekanik özellikleri ve aktif nematiklerin dinamikleri birbirleriyle bağlantılıdır. Mekanik dengesizliklerin aktif malzeme sistemlerinin dinamiklerini nasıl yönlendirdiği ve bu düzenli yapıları nasıl oluşturduğu tam olarak anlaşılamamıştır. Bu tezde, mekanik dengesizlikler ve nematik düzen arasındaki ilişkiyi incelemek için biyofilm olarak da bilinen, zincir oluşturan Bacillus subtilis bakterisi kullanıldı. Bakteriyel biyofilmlerin, üzerine çıkıldığında bir dizi mekanik dengesizliğin oluştuğu kritik uzunluk ölçeklerine sahip olduğu gözlemlendi. Lokalize stresin ve yüzey sürtünmesinin, nematik olarak hizalanmış yapılar ve topolojik defektler yaratarak, burkulmaların ve kenarlardaki mekanik dengesizliklerin oluşumunu sağladığı gösterildi. Ayrıca topolojik defektlerin stres dağılımını kontrol ettiğini ve üç boyutlu yapılar oluşturarak sporülasyon alanları ürettiğini gözlemledik. Bu çalışma göstermektedir ki, önerdiğimiz biyofilm platformu, mekanik etkilerin biyolojik dokunun büyümesi sırasında oynadığı rolleri incelemek için uygun bir sistem oluşturmaktadır.