A pathway-based mean-field model for E. coli chemotaxis: Mathematical derivation and Keller-Segel limit
基于路径的平均场理论（PBMFT）最近被提出用于E。coli的趋化性[G.是的，T。吴角，澳-地曲阳和Y. Tu，Phys. Rev. Lett.，109（2012），048101]。本文在甲基化水平局部集中的假设下，利用动力学理论中的矩闭合技术，导出了一个新的PBMFT矩系。新方程组是带有线性对流项的双曲方程组。在某些假设下，新系统可以恢复原始模型。特别是对甲基化差异的假设可以在这个新的时刻系统中明确理解。我们通过考虑翻滚、适应和实验观测的不同物理时间尺度得到了Keller-Segel极限。我们还提出了数值证据，以显示定量协议的时刻系统与个人为基础的E。大肠杆菌趋化性模拟器。
2013-04-26 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
The diffusive influx and carrier efflux have a strong effect on the bistability of the lac operon in Escherichia coli
大肠杆菌的乳糖操纵子在有无诱导物存在时表现出双稳态。文献中的大多数模型假设诱导剂通过载体（通透酶）进入细胞，并通过扩散样过程退出。忽略扩散流入和载流子流出。然而，数据分析表明，在非诱导细胞中，扩散流入与载体流入相当，而在诱导细胞中，载体流出是扩散流出的7倍。由于双稳态需要共存的稳态对应于非诱导和诱导细胞，这些通量都不能忽略。在这里，我们制定了一个模型占两个通量。我们发现：（a）双稳态的阈值都深刻地影响这两个通量。扩散流入通过增强诱导物在非诱导细胞中的积累来降低开启阈值。载体外排通过减少诱导细胞中诱导物的积累来增加关闭阈值。(b)用实验测得的参数值对模型进行的模拟与IPTG的数据吻合良好。然而，TMG的数据存在差异。它们最有可能是由于模型中缺少两个特征，即诱导物排除效应和特定生长速率随乳糖酶水平的变化。(c)在两种通量存在下得到的稳态和阈值很好地近似由简单的解析表达式，这可能是有用的，在合成生物学的乳糖基因开关的初步设计。
2008-02-09 q-bio.CB q-bio.MN
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
From random to directed motion: Understanding chemotaxis in E. Coli within a simplified model
大肠杆菌以之字形方式游动，在一系列交替发生的直线运行和翻滚中，运行持续时间取决于化学引诱剂/排斥剂的局部空间梯度。这使生物体能够向营养源移动并远离毒素。大肠杆菌的信号转导网络已经得到了很好的表征，理论建模已经被用于理解其许多显着的特征，包括对空间均匀刺激的近乎完美的适应，并取得了一定的成功。我们研究了这个网络的简化形式，受体的甲基化状态为3个而不是5个。我们推导出的翻滚率的响应函数的解析形式，并用它来计算漂移速度的细菌在存在一个弱的空间吸引梯度。
2008-12-25 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.SC
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
E. coli chemotaxis is information-limited
生物体必须获取和使用环境信息来指导其行为。然而，目前还不清楚信息是否以及如何定量地限制行为表现。在这里，我们将信息与大肠杆菌趋化性的行为表现。首先，我们推导出一个理论极限的最大可实现的梯度爬升速度给定细胞的信息采集速率。接下来，我们测量细胞的梯度爬升速度和通过趋化性途径获取信息的速率。我们发现E.大肠杆菌做出行为决定所需的比特数远小于确定它们是否向梯度上游所需的比特数。然而，它们有效地利用了这些信息，性能接近理论极限。因此，信息可以限制生物体的表现，而感觉运动通路可能已经进化到有效地利用来自环境的信息。
2021-02-23 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Bistability of the lac operon during growth of Escherichia coli on lactose and lactose + glucose
大肠杆菌的乳糖操纵子具有双稳定性。早期的研究表明，在TMG/琥珀酸盐和乳糖+葡萄糖上生长期间发生双稳态，但在乳糖上生长期间不发生双稳态。最近对lacGFP转染的细胞的研究显示了与TMG/琥珀酸盐的双稳定性，但与乳糖和乳糖+葡萄糖的双稳定性不一致。在文献中，这些结果归因于诱导产生的正反馈的变化。具体地，在TMG/琥珀酸盐上生长期间，诱导产生正反馈，因为通透酶刺激TMG的积累，这反过来促进更多通透酶的合成。这种正反馈在乳糖生长过程中减弱，因为半乳糖苷酶对乳糖的水解抑制了通透酶的刺激作用。但稀释的稳定效果也会随着培养基成分的变化而发生显著变化。例如，在TMG/琥珀酸盐上生长期间，通透酶的稀释速率与其活性$e$成比例，因为比生长速率与$e$无关。然而，在乳糖上生长期间，通透酶稀释速率与$e^2$成比例，因为比生长速率与比乳糖摄取速率成比例，而比乳糖摄取速率又与$e$成比例。在这里，我们表明：（a）这种对$e^2$的依赖性产生了如此强的稳定作用，以至于在乳糖上生长期间，即使面对正反馈，双稳态也几乎是不可能的。(b)在乳糖+葡萄糖上生长期间，这种稳定作用减弱，因为葡萄糖上的比生长速率与$e$无关，因此稀释速率再次包含与$e$成比例的项。我们根据这些结果讨论了实验数据。
2007-07-09 q-bio.CB q-bio.MN
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
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
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
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
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
System Level Numerical Analysis of a Monte Carlo Simulation of the E. Coli Chemotaxis
在过去的几年中，它已被证明，“粗timesteppers”建立传统的数值分析和微观/随机模拟之间的联系。相关的升力运行限制估计过程的基本假设是，宏观模型存在，并关闭在微观上不断变化的分布的几个控制时刻，但它们是不可用的封闭形式。这导致了一个系统识别为基础的计算方法，回避导出显式闭包的必要性。两个级别的代码构建;外部代码执行宏观，连续级数值任务，而内部代码估计-通过适当初始化的微观模拟突发-连续数值所需的数量。这些量包括残差、时间导数和粗慢雅可比行列式的作用。我们演示了如何将这些粗的时间步长可以应用于执行方程的动力学蒙特卡罗模拟的E。大肠杆菌趋化性。粗粒度的收缩映射，系统级的稳定性分析以及加速的直接模拟，使通过这种计算多尺度使能技术。
2010-11-05 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
Noise Filtering Strategies of Adaptive Signaling Networks: The Case of E. Coli Chemotaxis
在一类自适应感觉网络中，识别了两种不同的过滤输入信号中噪声的机制。我们发现，高频噪声通过时间平均的输出退化过程过滤，而低频噪声通过负反馈自适应阻尼。两个滤波过程本身都引入了固有噪声，发现这些噪声未被滤波，因此即使没有信令，也可以达到显著的内部噪声基底。这些结果应用于E.大肠杆菌趋化性。我们明确地表明，伯格-珀塞尔时间平均计划的分子机制是反应调节剂CheY-P的去磷酸化，而不是如前所述的受体适应过程。由于随机配体结合-解结合事件和随机配体分子扩散而产生的高频噪声通过CheY-P去磷酸化过程在大肠杆菌中平均到可忽略的水平。我们确定了一个以前未研究的噪声源所造成的随机运动的细胞在配体梯度。我们发现，这种随机游走诱导的信号噪声有一个发散的低频分量，这是只呈现有限的受体适应过程。对于E. coli传感范围内，这种占主导地位的外部噪声可以与系统中的显著固有噪声相媲美。系统地研究了系统的响应及其涨落对关键时间尺度的依赖性。我们表明，趋化性途径可能已经进化到优化梯度感应，强反应，和噪声控制在不同的时间尺度
2011-04-20 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
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
Bacterial chemotaxis: information processing, thermodynamics, and behavior
大肠杆菌长期以来一直被用作模式生物，由于其途径和分子组成的广泛实验表征。以趋化性为例，它允许细菌对化学物质（如营养物质和毒素）做出反应。许多通路的显着的传感和信号的属性，现在简明扼要地总结了设计（或工程）的原则。最近，来自信息论和随机热力学的新方法已经开始解决通路如何处理环境刺激以及限制因素是什么。然而，为了充分利用这些理论上的进步，需要与单细胞实验建立更密切的联系。
2015-12-08 q-bio.CB
Drift and behavior of E. coli cells
大肠杆菌的趋化性在浅的化学梯度中得到了很好的理解，但它的游泳行为在陡峭的梯度中仍然很难解释。通过专注于模拟的单细胞轨迹，我们研究了趋化漂移速度对指数梯度中吸引剂浓度的依赖性。虽然平均漂移速度的最大值可以在浅梯度中的趋化性的分析线性响应理论内解释，但由于陡峭的梯度和有限数量的用于适应的受体甲基化位点而导致的漂移限制超出了微扰理论。例如，我们发现了一个令人惊讶的钉扎细胞的浓度梯度，在细胞用完甲基化位点。为了验证最大漂移的位置，我们使用微流体在精心设计的化学梯度中记录了单细胞轨迹。
2017-10-30 q-bio.CB
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
Adaptability of non-genetic diversity in bacterial chemotaxis
细菌的趋化性系统和细菌所处的环境一样多样，但是细胞在一个单一的系统中能忍受多少环境变化呢？单一趋化系统的多样化可以作为在多个系统之间切换的替代方案，甚至是进化的垫脚石。我们假设基因调控的突变可能导致趋化多样性的遗传控制。通过模拟E.大肠杆菌的单细胞趋化模型，我们发现，不同的环境选择不同的行为。由此产生的权衡表明，人口面临不同的环境，理想的多样化的行为时，导航的时间是有限的。我们表明，有利的多样性可以产生于个体之间蛋白质水平分布的变化，这可能是通过基因调控突变发生的。我们提出的实验来测试我们的预测，在克隆种群趋化多样性可能是一个可选择的性状，使适应环境的变化。
2015-11-25 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.PE
Chemotaxing E. coli do not count single molecules
Center for Computational Biology, Flatiron Institute（平顿研究所计算生物学中心）；Institute of Physics, Academia Sinica（中央研究院物理研究所）；Institute of Physics, National Yang Ming Chiao Tung University（国立阳明交通大学物理研究所）；QBio Institute, Yale University（耶鲁大学QBio研究所）
研究发现E. coli趋化感知受限于内部噪声而非分子扩散物理限制，通过信息率分析显示其信息编码量远低于物理极限。
2025-08-27 physics.bio-ph q-bio.CB
Modeling network dynamics: the lac operon, a case study
我们使用大肠杆菌中的乳糖操纵子作为原型系统来说明细胞网络动态建模的当前状态、适用性和局限性。我们整合了三个不同层次的描述-分子，细胞，和细胞群体-到一个单一的模型，这似乎捕捉到许多实验方面的系统。
2004-11-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Theoretical results for chemotactic response and drift of E. coli in a weak attractant gradient
大肠杆菌（Escherichia coli，E.大肠杆菌）在自然环境中以一系列直线运动，被引起方向改变的翻滚打断。它通过延长在源的方向上运行的持续时间来对化学引诱物执行趋化性。当引诱剂浓度存在空间梯度时，这种偏差产生朝向其来源的漂移速度，而在均匀浓度下，大肠杆菌适应，在甲基天冬氨酸的情况下几乎完美。最近，微流控实验已经测量了大肠杆菌在精确控制的引诱剂梯度中的漂移速度，但没有通用的理论表达式。有了这个动机，我们在这里研究了一个解析解模型，基于Barkai-Leibler模型，最初引入解释完美的适应。严格的数学表达式得到的趋化反应函数和漂移速度在弱梯度的限制和假设下，完全随机翻滚。理论预测与实验结果相比，有利的，特别是在高浓度。我们进一步表明，信号转导网络减弱了浓度漂移的依赖性，从而提高了灵敏度的范围。
2010-02-08 cond-mat.stat-mech q-bio.CB q-bio.QM
Signalling noise enhances chemotactic drift of E. coli
趋化性刺激信号转导到E.大肠杆菌中的蛋白质会影响细胞的随机奔跑和翻滚运动以及执行趋化性的能力。在这里，我们使用数值模拟表明，在缓慢的甲基化动力学中的中间水平的噪声增强漂移，同时不损害浓度峰附近的定位。一个最小的模型显示了这样一个最佳的噪声水平是如何从噪声的相互作用和网络输出上的电机响应的依赖性。我们的研究结果表明，细胞可以利用噪音来提高趋化性能。
2012-10-04 q-bio.CB q-bio.SC
Fluctuations in growth rates determine the generation time and size distributions of E. coli cells
同基因大肠杆菌在恒定的环境中呈指数生长，其生长速率、分裂大小和世代时间都有很大的差异。目前还不清楚这些看似随机的细胞周期如何与在世代时间短于复制基因组时间的条件下所需的精确调控相协调。在这里，我们使用单分子显微镜来映射复制机制的位置到单个细胞的分裂周期。我们发现，细胞与细胞的生长速率的变化是足够的，以解释相应的细胞大小和分裂时间的变化，假设一个简单的机械模型。在该模型中，染色体复制的起始是在每个起始区域的固定体积下触发的，并且与每个起始事件相关联的是随后在生长速率依赖性时间的分裂事件。结果表明，E.大肠杆菌除了启动DNA复制所需的适当体积外，没有其他调节。
2015-10-13 q-bio.CB q-bio.QM
A Mathematical Description of Bacterial Chemotaxis in Response to Two Stimuli
细菌在复杂的环境中经常暴露于多种刺激，它们有效的趋化决定对于在其原生环境中生存和生长至关重要。细菌对环境刺激的反应依赖于其相应化学感受器的比例。通过结合单个细胞的信号机制，我们分析了大肠杆菌细菌群体在一维和二维环境中对两种刺激（主要是丝氨酸和甲基天冬氨酸（MeAsp））的集体运动。Kalinin等人，J. Bacteriol. 192（7）：1796-1800，2010.在适当的条件下，我们表明，如果单个细胞的主要化学受体的比例，即焦油/Tsr是小于一个特定的阈值，细菌移动到丝氨酸的梯度，如果该比例大于阈值，细菌组移动到MeAsp的梯度。最后，我们用Monte-Carlo模拟验证了理论，并验证了我们的结果与Y中的实验结果定性一致。Kalinin等人（2010年）。
2021-06-08 math.AP q-bio.CB q-bio.QM
Protein connectivity in chemotaxis receptor complexes
趋化性感觉系统允许细菌如大肠杆菌游向营养物并远离驱虫剂。潜在的途径是非常敏感的检测化学梯度在很大范围内的环境浓度。主要聚集在细胞两极的受体之间的相互作用对这种敏感性至关重要。虽然已经表明激酶CheA和接头蛋白CheW对于受体连接是不可或缺的，但确切的偶联机制仍不清楚。在这里，我们提出了一个螺旋力学方法来模拟受体连接机制本身，建立在纳米盘和电子冷冻断层扫描实验。具体而言，我们调查的混合受体簇的传感行为是如何受到影响的变化的表达水平的CheA和CheW在一个恒定的受体密度在膜上。我们的模型与体内Förster共振能量转移（FRET）测量的剂量-反应曲线相比毫不逊色，表明受体甲基化水平对受体协同性只有很小的影响。重要的是，我们的模型为非直观的结论提供了解释，即受体协同性随着与受体相关的核心信号蛋白CheA水平的增加而降低，而受体协同性随着关键衔接蛋白CheW水平的增加而增加。最后，我们提出了一个进化的优势，解释最近建议咀嚼只有接头结构。
2015-12-07 physics.bio-ph q-bio.CB
Self-organized periodicity of protein clusters in growing bacteria
E.大肠杆菌在细胞两极形成簇，也沿细胞体横向形成簇，这种簇在信号传导中起重要作用。最近，使用荧光成像的实验表明，在细胞生长过程中，横向簇形成在沿细胞体大致周期性间隔的位置。在本文中，我们证明了在一个晶格模型，这种空间组织可以自发地从随机成核机制。同样的机制可以解释最近在大肠杆菌中观察到的错误折叠蛋白质的周期性聚集。杆菌
2008-08-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
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
Optimal Chemotactic Responses in Stochastic Environments
我们对细菌趋化性的理解大多来自对大肠杆菌的研究。然而，最近的证据表明，显着偏离E。大肠杆菌范例在其他细菌物种。这种变化可能源于不同的物种栖息在不同的环境中，从而适应特定的环境压力。特别是，这些复杂的和动态的环境可能是不好的标准的实验和理论模型表示。在这项工作中，我们研究了各种趋化策略下的一系列随机的时间和空间变化的吸引剂分布在硅片的性能。我们描述了一种新型的反应，其中细菌翻滚更多的引诱剂浓度增加时，在相反的E。大肠杆菌，并证明这种反应如何解释好氧生长的球形红细菌的行为。在这种“投机者”反应中，细菌将当前引诱剂浓度与长期平均值进行比较。当电流浓度高于平均值时，通过持续翻滚，细菌保持它们在高引诱剂浓度区域中的位置。如果目前的浓度低于平均水平，或者正在下降，细菌就会游走，寻找更有利的条件。当引诱剂的空间分布复杂但变化缓慢时，这种反应与E.杆菌
2015-03-26 q-bio.CB q-bio.PE
