Transient drift of Escherichia coli under diffusing Step nutrient profile
细菌如大肠杆菌（E.大肠杆菌）如果保持在空间上不均匀的化学环境中，则表现出偏置运动。在这里，我们提出了独特的时间依赖性的细菌趋化性的特点，在响应扩散的空间步骤配体配置文件。实验获得的漂移速度的时间特性与理论和蒙特卡罗模拟为基础的估计进行了比较，并可以得到很好的协议。这些结果为细菌漂移的时间响应方面带来了新的见解，在理解它们的迁移动力学方面具有深远的影响，这些迁移动力学通过向食物分子的最高浓度游泳来寻找食物，或者逃离毒药，以及更好地理解某些传染病的治疗反应特征。
2018-06-09 physics.bio-ph q-bio.CB
Cell responses only partially shape cell-to-cell variations in protein abundances in Escherichia coli chemotaxis
克隆细胞群中蛋白质丰度的细胞间差异在生命系统中普遍存在。由于蛋白质组成决定了单个细胞的反应，因此这些变化本身受到选择压力的影响是理所当然的。但是这些细胞间差异的功能作用还没有得到很好的理解。解决形式和功能之间关系的一种方法是扰动形式（例如，改变蛋白质丰度）并观察某些功能的变化。在这里，我们采取的形式功能关系从相反的角度来看，而不是问什么特定的限制细胞间的蛋白质丰度的变化是由一个给定的功能表型。我们开发了一种基于最大熵（MaxEnt）的方法来提出这种类型的问题，并通过应用于大肠杆菌（E。coli）。我们发现，观察到的蛋白质丰度的细胞间变化的完全确定不是趋化性本身所固有的，但事实上似乎是由趋化性程序与其他因素联合施加的，例如，蛋白质合成机制和/或额外的非趋化性细胞功能如细胞代谢。这些结果说明了MaxEnt作为生物形式和功能之间关系的调查工具的力量。
2013-10-29 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.MN
Effect of receptor clustering on chemotactic performance of Escherichia coli: sensing versus adaptation
我们展示了传感和适应之间的竞争如何导致大肠杆菌趋化性的性能峰值，在一个详细的理论模型中使用广泛的数值模拟。受体聚集放大了来自配体结合的输入信号，这增强了趋化效率。但是，由于星系团的数量减少，大星系团也会引起总活动的大幅波动。这种活动以及由此产生的翻滚运动现在由甲基化水平控制，甲基化水平是适应模块的一部分，而不是配体结合。这降低了趋化效率。
2021-03-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Noise characteristics of the Escherichia coli rotary motor
细菌大肠杆菌中的趋化性途径允许细胞检测外部配体浓度（例如营养物）的变化。该途径调节鞭毛旋转马达，从而调节细胞的游泳行为，将它们引向更有利的环境。虽然分子成分的特点，拴系细胞实验测量的电机行为一直难以解释。在这里，我们研究了感知和信号噪声对运动行为的影响。具体而言，我们认为波动所产生的配体浓度，受体之间的信号状态，适应，蛋白质的磷酸化修饰，和电机之间的切换其两个旋转状态。我们开发了一个模型，其中包括所有的信号步骤的途径，并讨论了一个简化的版本，它捕捉了完整的模型的基本特征。我们发现，电机的噪声特性包含所有这些过程的签名，尽管幅度不同。这使我们能够解决细胞间的变异如何影响运动行为和最佳途径设计的问题。类似的综合分析可以应用于其他双组分信号通路。
2011-03-03 q-bio.CB
Numerical simulation of growth of Escherichia coli in unsaturated porous media
在实验室间歇实验的基础上，建立了大肠杆菌（HB 101 K12 pGLO）好氧和厌氧生长的氧浓度和DOC底物浓度模型。使用逆建模来获得最佳参数集，可以表明基于修改的双Contois动力学的模型可以预测细胞密度、有机碳利用率、氧转移和利用率，用于在有氧和厌氧条件下的大量实验，具有单个独特的参数集。并将该模型推广到E.大肠杆菌在非饱和多孔介质中的扩散、相交换和微生物生长。在充满石英砂的Hele-Shaw池中进行了实验，以研究饱和多孔介质上毛细边缘的细菌生长。用生长模型和来自分批实验的参数预测Hele-Shaw细胞中的细胞密度分布，无需任何进一步校准。它们显示出与通过重悬和随后计数从Hele-Shaw细胞采集的样品确定的细胞密度非常好的定性和定量一致性。因此，它可以被证明，这是可能的成功地转移生长参数从分批实验多孔介质的好氧和厌氧条件。
2014-08-12 q-bio.CB
Effect of Replication Fork Dynamics on Escherichia coli Cell Size
大肠杆菌等基因群体细胞大小的变异性在实验中已被广泛报道。细胞长度的概率密度函数（PDF）已被不同地描述为指数和对数正态函数。而温度、种群密度和生长速率都对E.大肠杆菌细胞大小分布，最近的模型已经证实了生长速率和细胞大小之间的联系，通过DNA复制，细胞大小的变化被认为是从生长速率的变化。一个可以区分随机性来源的机械联系，可以提高我们对细胞大小调节的理解。在这里，我们已经开发了一个种群动力学模型的基础上的BCD，出生，染色体复制和分裂模型的个人细胞分裂，与DNA复制的基础上库珀和Helmstetter（CH）多叉复制。在我们的模型中，模型中的随机性完全来自DNA复制叉的动力学。我们将分叉建模为两种状态的系统：停滞和恢复。我们的模型预测细胞大小的变化与增长率的增加，与以前的实验报告一致。我们扰动的模型，以测试增加复制叉（RF）失速频率的影响，或解耦RF失速从细胞分裂机器。事实上，尽管忽略了DNA和蛋白质分离的不对称性，该模型可以忠实地再现细胞大小分布的定量变化。在我们的模型中，多叉复制产生倍增的“噪音”，并提供了一个机制连接生长速度和细胞大小的变化。
2019-05-20 q-bio.CB
Quantitative effects of the stress response to DNA damage in the cell size control of Escherichia coli
本文提出基于“加法器”机制的连续时间随机模型，量化了SOS响应异质性对大肠杆菌细胞分裂和种群生长的影响，发现SOS诱导会降低分裂速率且在快速生长下扰动更强。
2024-09-17 q-bio.CB q-bio.QM
Effect of switching time scale of receptor activity on chemotactic performance of Escherichia coli
在大肠杆菌的趋化运动中，跨膜化学感受器在活性和非活性状态之间的转换是信号通路中最重要的步骤之一。我们研究了这种切换时间尺度对细胞趋化性能的影响。我们通过细胞的趋化漂移速度来量化性能。我们在详细的理论模型上进行了大量的数值模拟，结果表明，随着活动切换率的增加，漂移速度增加，然后饱和。我们的数据还显示，下坡运行的平均持续时间随着切换率的增加而急剧减少，而上坡运行的平均持续时间则相对缓慢地减少。我们解释了这种效果的时间变化的活动沿上坡和下坡的轨迹。我们发现，对于大的和小的切换率的性质的活动变化显示沿下坡运行，但类似的行为沿上坡运行定性不同的行为。这导致下坡运行持续时间对切换速率的更强的依赖性和上坡运行持续时间的相对较弱的依赖性。
2022-08-17 physics.bio-ph q-bio.CB
Chemotactic response and adaptation dynamics in Escherichia coli
大肠杆菌的趋化性感觉通路的适应对于在广泛的背景浓度范围内检测化学物质是不可或缺的，最终允许细胞游向引诱剂的来源并远离驱避剂。其生化机制基于化学感受器的甲基化和去甲基化早已被人们所知。尽管适应对细胞记忆和行为的重要性，适应的动力学很难与当前精确适应的模型相协调。在这里，我们遵循的时间进程的信号在响应浓度阶跃变化的引诱剂使用体内荧光共振能量转移测量。具体来说，我们使用的适应时间课程的有效评估不同的适应模型的压缩表示。为了定量地解释这些数据，我们最后开发了一个动态模型，信号和适应的基础上吸引流在实验中，信号合作受体复合物，和多层的反馈调节适应。我们通过实验证实了改变酶表达水平和绕过去甲基化负反馈的预测效果。我们的数据分析表明，在适应大的增加显着的不精确性。此外，我们的模型预测高度调节，超快的适应，以响应吸引剂的去除，这可能是有用的细胞的快速重定向和适应中的噪声减少。
2010-05-03 q-bio.CB
Localization of protein aggregation in Escherichia coli is governed by diffusion and nucleoid macromolecular crowding effect
错误折叠的蛋白质聚集体是许多与年龄相关的疾病的标志。最近，它们与大肠杆菌（E.大肠杆菌），其中蛋白质聚集体积累在老化细菌的旧极区。由于E.大肠杆菌作为模式生物，阐明这种细菌中的衰老和蛋白质聚集可能为我们在全球对衰老的理解方面取得重大进展铺平道路。这条道路上的第一个障碍是破译蛋白质聚集体靶向特定细胞间位置的机制。在这里，使用基于个体建模，延时荧光显微镜和自动图像分析的综合方法，我们表明，在E。大肠杆菌是纯扩散的（布朗）。利用单粒子追踪活大肠杆菌中的蛋白质聚集体。coli细胞，我们估计了聚集体的平均尺寸和扩散常数。我们的研究结果表明，聚集体在细胞内被动扩散，扩散常数取决于它们的大小，符合斯托克斯-爱因斯坦定律。然而，沿细胞长轴的总位移被限制在大致对应于细胞极中的无核空间的区域，从而证实了类核中大分子拥挤增加的重要性。因此，我们使用基于个体的3d建模来表明这三种成分（类核中的扩散、聚集和扩散阻碍）对于再现细胞中聚集体定位的可用实验数据是足够和必要的。综上所述，我们的研究结果有力地支持了衰老相关蛋白聚集体在E。大肠杆菌是被动扩散-聚集与空间非均匀大分子拥挤耦合的结果。他们进一步支持了“软”细胞内结构（基于大分子拥挤）在大肠杆菌中基于扩散的蛋白定位中的重要性。杆菌
2013-03-08 cs.CE q-bio.CB
The role of mechanical forces in the planar-to-bulk transition in growing Escherichia coli microcolonies
机械力在三维多细胞结构的组装中显然是重要的，但它们的详细作用往往不清楚。我们已经使用生长的细菌小菌落\emph{Escherichia coli}来研究机械力在从二维生长（在硬表面和软琼脂糖垫之间的界面上）到三维生长（琼脂糖的侵入）的转变中的作用。我们测量了菌落内发生侵袭转变的位置、菌落内的细胞密度以及转变时的菌落大小作为琼脂糖浓度的函数。我们使用现象学理论，结合基于个人的计算机模拟，以显示如何机械力作用于细菌细胞之间，以及细菌和周围的基质之间，导致我们的实验中观察到的复杂现象-特别是在琼脂糖浓度的过渡的菌落大小的非平凡的依赖。匹配这些方法导致预测细菌和琼脂糖之间的摩擦系数应如何随琼脂糖浓度变化。我们的实验条件模拟了细菌侵入软基质的许多临床和环境场景，以及在多细胞组件中二维和三维生长之间的过渡方面提供了更一般的光线。
2014-02-14 cond-mat.soft q-bio.CB
MreB helical pitch angle determines cell diameter in Escherichia coli
细菌具有非常强大的细胞形状控制机制。例如，细胞直径在整个群体中仅变化百分之几。MreB是建立和维持棒形所必需的，尽管形状控制的机制尚不清楚。我们以两种互补的方式扰动MreB，以在从790+/-30 nm到1700+/-20 nm的宽范围内产生稳态细胞直径。为了确定MreB的哪些特性对于直径控制是重要的，我们通过同时分析MreB和细胞形状的三维图像将荧光标记的MreB聚合物的结构特征与细胞直径相关联。我们的研究结果表明，MreB的螺距角与细胞直径呈负相关。其他相关性不显着。这些结果表明，MreB长丝的物理性质是重要的形状控制和支持的模型，其中MreB决定细胞直径和组织细胞壁生长，以产生手性细胞壁。
2015-03-26 physics.bio-ph q-bio.CB
Interrogating the Escherichia coli cell cycle by cell dimension perturbations
细菌严格调节和协调其细胞周期中的各种事件，以准确复制自身并控制其细胞大小。特别是大肠杆菌的生长，遵循一个称为Schaechter生长定律的关系。该定律表明，平均细胞体积与生长速率呈指数关系，比例指数等于从一轮DNA复制开始到相应的姐妹染色体分离的细胞分裂的时间。在这里，我们试图测试的鲁棒性的增长规律，通过改变mreB和ftsZ的表达水平实现的细胞尺寸的系统扰动。我们发现，降低mreB水平导致细胞宽度增加，细胞长度变化不大，而降低ftsZ水平导致细胞长度增加。此外，在这两种情况下，从复制终止到细胞分裂的时间随着扰动尺寸的增加而增加。此外，增长规律在一系列的增长条件和尺寸扰动下仍然有效。生长规律可以定量地解释为细胞分裂与复制起始紧密耦合的结果。因此，它的鲁棒性扰动细胞尺寸强烈支持模型，其中复制起始的时间控制的细胞分裂，和细胞体积是关键的现象学变量控制的复制起始的时间。这些结论进行了讨论的背景下，我们最近提出的加法器每起源模型，在该模型中，细胞增加了一个恒定的体积每起源之间的启动和划分一个恒定的时间启动后。
2017-01-03 q-bio.CB
Condensation of nucleoid in Escherichia coli cell as a result of prolonged starvation
电镜和X射线衍射研究了休眠E.大肠杆菌细胞显示了几种形式的类核凝聚：准纳米晶、准液晶（或孢子样）和折叠的核小体样结构。特别令人感兴趣的是第三种类型的结构，因为它是第一次在这里描述：折叠的核小体样。这种结构与环形DNA组织无关，环形DNA组织是形成准纳米晶结构的中间形式。在这里观察到的结果揭示了新的光在原核细胞中的核凝聚的现象和发展的一般问题，以应对压力。人们发现，在休眠细胞的群体中，没有单一的类核凝聚机制;它们的数量，形状和包装的多样性已经被发现。根据细菌种群作为多细胞生物体的公认概念，其异质性允许灵活地响应环境变化并在压力情况下生存。这就是为什么我们在休眠的E. coli细胞。休眠细胞的异质性增加了整个种群在各种胁迫条件下生存的能力。为了更好地理解类核凝聚机制，有必要研究细菌中类核从休眠状态到功能状态的逆转。
2019-01-31 cond-mat.soft q-bio.CB
A path-integral formulation of the run and tumble motion and chemotaxis in Escherichia coli
像大肠杆菌这样的细菌以一系列的奔跑和翻滚的方式运动：当奔跑状态（直线运动）需要所有的鞭毛马达以逆时针模式旋转时，翻滚是由一个或多个马达的状态转变为顺时针旋转模式引起的。在环境中存在引诱剂梯度的情况下，在有利方向上的运行被延长，并且这导致生物体在梯度方向上的净漂移。潜在的信号转导机制通过双叶响应函数产生定向运动，所述双叶响应函数将鞭毛马达的顺时针偏置与引诱剂浓度的时间变化相关联。响应函数的两个叶（正和负）由$\sim 1$ s的时间间隔分开，使得细菌有效地比较空间中两个不同位置处的浓度并相应地响应。我们在这里提出了一种新的路径积分方法，使我们能够解决这个问题，在最一般的方式，包括多步CW-CCW过渡，方向持久性和幂律等待时间分布。该方法使我们能够计算数量，如有效扩散系数和漂移速度，在吸引梯度的幂级数展开。显式结果中的最低阶的扩展，提出了特定的模型，其中，在适用的情况下，同意与已知的结果。伽玛分布的运行间隔分布的新结果也提出。
2018-02-23 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Cell size regulation in microorganisms
各种杆状细菌，如典型的革兰氏阴性大肠杆菌或充分研究的革兰氏阳性枯草芽孢杆菌，在它们的体积大约增加一倍后对称分裂。它们分裂时的大小不是恒定的，但通常分布在一个狭窄的范围内。在这里，我们提出了一个易于分析的细胞大小控制模型，并计算细胞大小和分裂时间分布。我们提出了从实验数据中提取模型参数的方法。现有的E.大肠杆菌支持部分大小控制，一个特别的解释是：细胞试图从DNA复制开始到下一个起始事件增加恒定的体积。这一假说解释了细菌如何控制其紧密的大小分布，并解释了实验观察到的父母和女儿之间的相关性以及大小对生长速率的指数依赖性。
2014-04-08 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.QM
