Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate three-dimensional transitions of bacterial monolayers
许多成熟的细菌菌落和生物膜是复杂的三维（3D）结构。他们开发计划中的一个关键步骤是从二维（2D）单层过渡到3D架构。尽管在各种医疗和工业环境中控制微生物菌落和生物膜的生长很重要，但单细胞动力学、密集细胞的集体行为和3D复杂菌落扩增背后的潜在物理机制仍然很大程度上未知。在这项工作中，我们探索背后的机制，运动铜绿假单胞菌菌落的二维到三维的过渡，我们提供了一个新的运动诱导，率依赖性屈曲机制，他们的平面外生长。我们发现，成群的能动的细菌菌落产生持续的面内流动。我们发现，这些流动产生的粘性剪切应力和动态压力，使细胞克服细胞-基质粘附，导致屈曲的细菌单层和生长到第三维。建模细菌单层作为二维流体膜，我们确定了普遍的关系，阐明了在平面内的粘性应力，压力和细胞-基质粘附之间的竞争。此外，我们表明，细菌单层可以表现出从群集到动力学被捕，玻璃样状态以上的发病密度交叉，导致不同的2D到3D的过渡机制。结合实验观察铜绿假单胞菌菌落在单细胞分辨率，分子动力学模拟的活性系统，和理论的玻璃态动力学和二维流体膜，我们开发了一个动态状态图，预测的殖民地的状态，和管理他们的二维到三维的过渡机制。
2020-03-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Universality in Bacterial Colonies
在过去的二十年里，由细菌菌落生长产生的新兴空间模式一直是物理学研究的焦点。实验和理论研究都使这种菌落可以表现出不同的结构的清晰定性图像成为可能，这取决于它们生长的培养基。然而，对这些模式的定量描述相对较少。在本文中，我们使用了一个详细的模拟框架来测量与硬琼脂基质上的细菌菌落的前进前沿相关的标度指数，旨在辨别系统所属的普适性类。我们表明，殖民地所表现出的普遍行为可以比以前报道的更丰富，我们提出了高达四个不同的子阶段的可能性，在中高营养浓度制度。我们假设，表征这些子阶段之一的淬火无序是细菌竞争有限空间和营养物的生长和分裂的一种新兴特性。
2011-08-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Feeding ducks, bacterial chemotaxis, and the Gini index
关于鸭群在分散的食物来源周围分布的经典实验发现，这种分布与“理想自由”分布是一致的，即当地人口与当地供应率成正比。受这个实验和其他实验的启发，我们研究了微生物世界中的类似问题：趋化细菌在多个附近食物来源周围的分布。与可能保持在空间变化的营养物场中的单个细胞水平的摄取速率的优化相反，趋化细胞群体的营养物消耗将改变营养物场，并且摄取速率通常在整个群体中变化。通过一个简单的模型，我们研究了在细菌和营养物质的趋化性，消耗和扩散的存在下，资源摄取的分布。借用理论经济学领域，我们探讨如何基尼系数可以作为一种手段来量化的不平等的吸收。趋化性的再分配效应可以导致一种现象，我们称之为“趋化水平”，并简要地考虑了这些结果对种群适应度的影响。
2015-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
Bacteria push the limits of chemotactic precision to navigate dynamic chemical gradients
细菌的短暂聚集体在环境中无处不在，在那里它们充当代谢活动、营养循环和水平基因转移的温床。在许多情况下，这些高细菌浓度的区域被认为是在运动细胞使用趋化性导航到化学热点时形成的。然而，是什么控制了细菌聚集的动力学尚不清楚。在这里，我们使用一种新的实验平台来创建具有受控营养浓度的真实亚毫米级营养脉冲。通过结合实验，数学理论和基于代理的模拟，我们表明，个别\textit{Vibrio ordalii}细菌开始趋化性向热点溶解有机物（DOM）时，化学梯度的幅度上升到足够远的感官噪音，是随机遇到化学引诱分子。每个DOM热点被一个动态的化学趋化细胞环包围，这些细胞聚集在高DOM浓度的区域，然后随着DOM扩散和梯度变得太嘈杂而无法响应。我们证明了\textit{V. ordalii}的操作接近趋化精度的理论极限。趋化细菌的数值模拟，其中分子计数噪声被明确考虑在内，在营养物质的收购和趋化精度的成本之间的权衡点。更一般地说，我们的研究结果说明了如何限制感官精度可以用来了解生态相关环境中的细菌行为反应的位置，空间范围和寿命。
2019-05-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Kin-ematic Exclusion in Active Matter: Modelling Mutual Inhibition in \textit{Pseudomonas aeruginosa} Sibling Colonies
Science Department, Roma Tre University（罗马第三大学科学系）；Mediterranean Institute for Advanced Studies, IMEDEA, UIB-CSIC（地中海高级研究所，IMEDEA，巴伊亚群岛大学-西班牙国家科研委员会）
研究通过定量密度测量和最小生物物理模型，揭示了Pseudomonas aeruginosa兄弟群体中相互抑制的机制，发现营养物质耗尽和非致命运动抑制是关键因素。
2026-05-13 physics.bio-ph q-bio.CB
Microfluidics for single-cell study of antibiotic tolerance and persistence induced by nutrient limitation
营养限制是抗生素耐受性和持久性的最常见触发因素之一。在这里，我们提出了两种微流体设置来研究营养物质可用性的空间和时间变化如何导致细菌对抗生素的存活率增加。第一种设置旨在模拟细菌在空间结构种群（例如生物膜）中的生长动力学，并可用于研究由种群的集体代谢活动产生的营养物质可用性的空间梯度如何增加抗生素耐受性。第二种设置捕获了细菌在自然界中经常遇到的盛宴和饥荒循环的动态，并可用于研究饥饿后恢复生长的表型异质性如何增加克隆细菌种群的存活率。在这两种设置中，可以在单细胞水平上测量细菌的生长速率和代谢活性。这有助于建立一个机制的理解，时空变化的营养物质的可用性触发细菌进入表型状态，增加他们对抗生素的耐受性。
2020-10-28 q-bio.CB q-bio.QM
Implications of 3-step swimming patterns in bacterial chemotaxis
我们最近发现，海洋细菌溶藻弧菌执行一个循环的3步（运行反向轻弹）运动模式，这是显着不同的2步（运行翻滚）模式的大肠杆菌。这种新的游动模式如何被溶藻弧菌的细胞调节目前尚不清楚，但其对细菌趋化性的意义是不言而喻的，并将在本文中描述。使用de Gennes介绍的方法，我们计算了细胞在线性化学梯度中执行3步模式的迁移速度，并发现自然产生双相趋化反应。这种反应对细胞适应海洋环境的意义及其与E。大肠杆菌的反应也进行了讨论。
2010-11-15 q-bio.CB
A dynamic fluid landscape mediates the spread of bacteria
本研究发现酵母等微生物形成的动态流体景观能促进铜绿假单胞菌的游动与传播，并通过数学建模和实验证实了物理环境在细菌运动性中的重要作用。
2023-09-11 q-bio.CB
Chemotaxis and Haptotaxis on Cellular Level
趋化性和趋触性一直是细菌和细胞运动宏观研究的主题。在这项工作中，我们调查的影响，这些过程对快速迁移细胞的形状和运动。我们注意到，尽管它们在生物学和建模方面存在差异，但细胞在迁移过程中表现出许多相似之处。我们还看到，经过一个初始的调整阶段，细胞获得一个稳定的形状和他们的运动是类似于平流。
2016-12-07 q-bio.CB
Cellular resource allocation strategies for cell size and shape control in bacteria
细菌是高度适应性的微生物，通过细胞形态和大分子组成的变化在广泛的生长条件下茁壮成长。细菌形态如何在不同的环境条件下调节是一个长期存在的问题。细胞大小和形状的调节意味着将细菌的生长和分裂与其细胞环境和大分子组成相结合的控制机制。在过去的十年中，出现了简单的定量规律，将细胞生长与蛋白质组组成和营养物质的可用性联系起来。然而，细胞大小，形状和生长生理之间的关系仍然具有挑战性的解开和统一的模型是缺乏的。在这篇综述中，我们专注于细胞大小控制的调控模型，揭示了细菌细胞形态和生长生理之间的联系。特别是，我们讨论了营养条件和翻译扰动的变化如何调节细胞大小，生长速率和蛋白质组组成。结合定量模型和实验数据，我们确定了细菌大小调控的生理学原理，并讨论了细胞资源分配的优化策略。
2021-10-16 physics.bio-ph q-bio.CB
3D spatial exploration by E. coli echoes motor temporal variability
解开细菌空间探索的策略对于理解生命组织的复杂性至关重要。细菌运动性决定了微生物群落的时空结构，控制着感染的传播和肠道或土壤中微生物的组织。大多数用于模拟细菌运输的理论方法依赖于它们的奔跑和翻滚运动。对于大肠杆菌，运行时间分布据报道遵循泊松过程与一个单一的特征时间相关的鞭毛电机的旋转开关。然而，鞭毛电机的直接测量显示重尾分布的旋转时间源于内在的噪音在趋化机制。目前，还没有直接的实验证据表明趋化机制中的随机性影响细菌的宏观运动性。与公认的奔跑和翻滚的视觉形成鲜明对比，在这里，我们报告了野生型\emph{E. coli}的大的行为变异性，揭示了它们的三维轨迹。在短的观察时间内，一个大的分布的运行时间测量的人口，并归因于缓慢的波动的信号蛋白触发鞭毛电机逆转。在很长一段时间内，单个细菌的运动性会发生显着变化。我们证明，这样一个大的分布的运行时间在大多数实际情况下引入测量偏差。我们的研究结果调和臭名昭著的难题之间的运行时间的观察和电机开关统计。最后，我们建议，目前正在新兴的框架内进行的活性物质研究的运输特性的统计建模，应重新考虑的范围内，这种大的变化的运动功能。
2019-11-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Optimal search in E.coli chemotaxis
我们研究了单个{ \sl E.coli}细菌在培养基中的趋化性，其中营养化学物质也在扩散，其浓度具有宽度随时间增加的高斯形式。我们测量了细菌在高营养浓度区域的平均首次通过时间。在非常缓慢的营养扩散的限制下，细菌有效地经历具有固定宽度的高斯浓度分布。在这种情况下，我们发现当平均第一通过时间最小时，存在高斯的最佳宽度，{ \sl，即}，搜索过程是最有效的。我们验证了细菌的确定性初始位置和随机初始位置的最佳宽度的存在，从均匀和稳定状态分布。我们在一个非马尔可夫随机步行模型的数值模拟同意我们在相关的粗粒度模型的分析计算。我们还提出了我们的模拟结果的情况下，当营养扩散和细菌运动发生在可比的时间尺度和细菌的感觉随时间变化的浓度场。
2015-04-29 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Structured foraging of soil predators unveils functional responses to bacterial defenses
捕食者及其觅食策略往往决定生态系统的结构和功能。然而，原生动物捕食者在微生物土壤生态系统中的作用仍然是难以捉摸的，尽管这些生态系统的全球地球化学循环的重要性。特别是变形虫-细菌的最丰富的土壤原生动物捕食者-使土壤养分矿化并形成细菌群落。然而，它们的觅食策略和它们作为微生物生态系统工程师的作用仍然未知。在这里，我们提出了一个多尺度的方法，连接微观单细胞分析和宏观的整个生态系统的动态，揭示了一个广泛的觅食策略，其中阿米巴种群自发分区之间的细胞快速，极化运动和细胞缓慢，非极化运动。这种分化运动引起有效的菌落扩增和细菌底物的消耗。从这些见解，我们构建了一个理论模型，预测如何干扰变形虫的生长速度和运动破坏其捕食效率。这些干扰对应于不同类别的细菌防御，这使我们能够通过实验验证我们的预测。所有考虑，我们的阿米巴觅食特性确定阿米巴的流动性，而不是阿米巴的增长，作为捕食效率的核心决定因素和细菌防御系统的关键目标。
2022-05-24 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.PE
Spreading of non-motile bacteria on a hard agar plate: Comparison between agent-based and stochastic simulations
我们研究了一个非运动的细菌菌落在硬琼脂平板上的传播，使用基于代理和连续模型。我们表明，传播动力学依赖于初始营养浓度，运动性和固有的人口噪声。人口波动是固有的基于代理的模型，而连续模型，我们通过使用随机朗之万方程来模拟它们。我们发现，固有的人口波动加上非线性扩散导致从扩散限制聚集（DLA）型形态的过渡到伊甸园状形态的初始营养浓度降低。
2017-10-21 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.CB
Cytoskeleton and Cell Motility
本文是对复杂性和系统科学百科全书的邀请贡献，罗伯特·A。Meyers Ed.，Springer New York（2009）.这是一个审查的生物物理机制下的细胞运动。它主要集中在真核细胞骨架和细胞运动机制。细菌的运动性以及原核细胞骨架的组成只是简单地提到。文章组织如下。在第三节中，我首先概述了细胞运动机制的多样性，乍一看，这可能被分为两种不同类型的行为，即“游泳”和“爬行”。细胞内运输，有丝分裂-或细胞分裂-以及其他延伸的细胞运动，依赖于相同的基本机制简要概述。在第四节中，我介绍了细胞运动的分子机制-细胞骨架-以及它与细胞外部环境的相互作用及其主要调控途径。第IV D节到第IV F节在生物化学方面有更详细的介绍;主要对细胞运动的理论建模感兴趣的读者可能希望在第一次阅读时跳过这些部分。然后，我描述的运动机制，基本上依赖于第五节中的细胞骨架丝的聚合-解聚动力学，和那些基本上依赖于第六节中的马达蛋白的活性。最后，第七节致力于描述最近开发的综合方法，以试图理解作为整体的细胞骨架自组织的基础的合作现象。
2011-05-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Myxococcus xanthus gliding motors are elastically coupled to the substrate as predicted by the focal adhesion model of gliding motility
黄色粘球菌是研究细菌社会行为的模式生物，因为它能够形成复杂的多细胞结构。M的知识。xanthus表面滑动运动和协调它的机制对我们理解集体细胞行为至关重要。虽然滑行运动的机制仍在研究中，最近的实验表明，有两种可能的机制，潜在的力产生细胞运动：粘着斑机制和螺旋转子机制，不同的生物物理学的细胞基质相互作用。而焦点粘附模型预测弹性耦合，螺旋转子模型预测粘性耦合。使用计算建模，成像和力显微镜相结合，我们发现的证据支持的焦点粘附模型的弹性耦合。利用M. xanthus细胞，我们研究了细胞之间的机械相互作用如何受到与基底相互作用的影响。细胞-细胞碰撞事件的模拟结果与实验数据的比较表明，细胞与基底之间存在强有力的弹性连接。这些结果是鲁棒的模型的机械和几何参数的变化。然后，我们直接测量电机基板耦合通过监测光学捕获珠的运动，发现电机速度呈指数下降与相反的负载。在高负载下，电机速度渐近地接近零速度，并且电机保持与珠子结合，表明牢固的弹性附着。
2014-01-14 physics.bio-ph q-bio.CB
Immersed boundary approach to biofilm spread on surfaces
我们提出了一个计算框架来研究界面上细菌生物膜的生长和传播，以及抗生素对它们的作用。细菌膜由浸没在流体基质中并受到相互作用力的边界表示。细菌细胞的生长、分裂和死亡遵循动态能量收支规则，以响应由细胞释放的营养物、有毒物质和物质的环境浓度的变化。通过这种方式，我们创造，破坏和扩大边界，无论是球形还是杆状。适当的力代表细胞之间相互作用的细节，以及与环境的相互作用。数值模拟说明了小生物膜种子的顶视图和直径切片的演变，以及抗生素的作用。我们表明，针对活性和休眠细胞的抗生素鸡尾酒可以完全根除生物膜。
2022-01-09 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Relationship between cellular response and behavioral variability in bacterial chemotaxis
大肠杆菌的趋化性是研究信号转导的一个经典系统。该系统的显著特征是群体中的精确适应与单细胞中的大波动细胞行为共存（Korobkova等人，2004，Nature，428，574）。使用随机模型，我们发现，在非刺激细胞实验观察到的大的行为变异性是这种自适应系统的架构的直接后果。可逆的共价修饰循环，其中甲基化和去甲基化反应拮抗性地调节受体-激酶复合物的活性，在一级动力学区域之外操作。因此，控制细胞行为的受体激酶呈现S形激活曲线。该曲线同时放大了系统中固有的随机波动，并延长了响应于刺激的弛豫时间。由于随机波动会导致较大的行为变异性，而弛豫时间决定了对小刺激的平均反应持续时间，因此具有最大波动行为的细胞也显示出最大的趋化反应。最后，数字细菌的大规模模拟表明，趋化性网络被调整为同时优化细胞在缺乏营养物质的情况下的随机扩散和细胞对引诱剂梯度的反应。
2007-05-31 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.OT
Extraction du solvant d'un hydrogel par des gouttes de bactéries B. subtilis
我们观察到沉积在琼脂上的枯草芽孢杆菌悬浮液的小滴的体积强烈增加，而类似的细菌空液滴则没有。通过测量不同高度的液滴内的细菌浓度，我们表明，由于恒定的细菌细胞分裂而导致的生物量增加太小，无法解释液滴膨胀。相反，增加的体积是由表面活性素的存在引起的-由细菌产生的表面活性剂-通过渗透毛细管效应诱导水流出环境。所需的浓度非常低（< 1 mM），比例如葡萄糖的浓度小四个数量级，以产生类似的效果。B的能力。枯草杆菌从其环境中提取水分可能有助于集体迁移模式，如大规模群集。它还产生了一种新的不依赖于细胞运动的位移模式：通过结合表面活性剂的渗透和润湿作用，B。枯草杆菌可以主动诱导菌落在倾斜小至0.1度的基底上滑动。
2017-07-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Bacterial proliferation pattern formation
本研究针对细菌高细胞密度条带形成机制不明的问题，通过延时成像量化其时空精度，发现条带形成具有模块化特征，结合理论模型与基因修饰实验验证了代谢状态和pH梯度的作用，提出该现象可作为研究细胞异质环境响应的模型系统。
2025-01-16 nlin.AO nlin.PS physics.bio-ph
