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
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
Global organization of metabolic fluxes in the bacterium, Escherichia coli
细胞代谢是成千上万种代谢底物通过酶催化的生化反应相互转化的过程，是研究最多的复杂的细胞间分子相互作用网络。虽然个体反应到代谢网络的拓扑组织越来越好地理解，在不同的生长条件下，它们的全局功能利用的原则提出了许多悬而未决的问题。我们实现了一个通量平衡分析的E。大肠杆菌MG 1655代谢，发现网络利用是高度不均匀的：虽然大多数代谢反应有小通量，代谢的活动是由几个反应具有非常高的通量占主导地位。E.大肠杆菌通过重组主要在该高通量主干内的选择通量的速率来响应生长条件的变化。所确定的行为可能代表了所有细胞中代谢活动的普遍特征，对代谢工程具有潜在的影响。
2004-02-28 cond-mat.dis-nn q-bio.CB q-bio.MN
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
Determinants of bistability in induction of the Escherichia coli lac operon
我们已经开发了一个数学模型的大肠杆菌乳糖操纵子的表达调控，并研究了在没有外部葡萄糖的情况下，其稳态诱导行为的双稳态。数值分析方程描述人工诱导剂调节揭示了两个自然的双稳态参数，可用于控制诱导剂浓度的范围内，该模型表现出双稳态。通过调整这些双稳态参数，我们发现了一系列生物药理学上合理的系统，其与实验确定的硫代甲基半乳糖苷诱导的β-区域一致（Ozbudak等人，Nature 427：737，2004）。该模型预测，双稳态可以被废除时，被动运输或通透出口变得足够大，前一种情况下是特别相关的诱导异丙基-β，D-硫代半乳糖苷。为了模拟乳糖的调节，我们开发了类似的方程，其中异乳糖是乳糖代谢中的代谢中间体，也是乳糖的天然诱导物。对于生物药理学合理的参数值，这些方程不产生双稳态响应乳糖诱导，但是，系统与非物理小渗透依赖性的出口效应可以表现出少量的双稳态参数值的有限范围。这些结果对乳糖操纵子在大肠杆菌自然环境中的双稳态的相关性提出了质疑。大肠杆菌，并有助于阐明现有的理论研究，解决这个问题之间的争议。这些结果也表明了一种实验方法来解决的相关性，乳糖操纵子中的双稳态在自然环境中的E。杆菌
2008-02-08 q-bio.CB q-bio.MN
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
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
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
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
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
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
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
Dynamics of glucose-lactose diauxic growth in E. coli
我们提出了一个数学模型的葡萄糖-乳糖在大肠杆菌中的二元生长，包括乳糖操纵子的正，负调控机制，以及诱导排斥。为了验证该模型，我们首先计算了仅乳糖营养物的β-半乳糖苷酶的时间演化，并将数值结果与实验数据进行了比较。其次，我们比较了葡萄糖-乳糖二元生长的计算细胞生物量与特定E. coli MG 1655。对于这两种情况，本模型的数值计算结果与两个实验数据吻合较好。野生型E.大肠杆菌进行了研究。
2011-01-28 q-bio.CB q-bio.OT
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
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
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
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
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
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
A Simple Model of Cell Proliferation of Bacteria Using Min Oscillation
对大肠杆菌的Min振荡数学模型进行了数值研究。用简单的耦合微分方程解释了振荡态和滞回转变。接下来，我们提出了一个简单的细胞生长和分裂模型，使用最小振荡。细胞周期不是恒定的，而是在确定性模型中表现出波动。最后，我们进行了直接的数值模拟的细胞聚集体组成的许多细胞服从简单的生长和分裂模型。随着细胞数量随时间增加，细胞集合体的空间分布变得更加圆形，尽管细胞几乎在x方向上对齐。
2019-08-30 nlin.AO q-bio.CB
Connecting the dots between mechanosensitive channel abundance, osmotic shock, and survival at single-cell resolution
细胞外渗透压浓度的快速变化是微生物细胞每天面临的许多损害之一。为了防止这种冲击，大肠杆菌和其他微生物表达了几种类型的跨膜通道，这些通道响应膜张力的变化而打开和关闭。在大肠在大肠杆菌中，最丰富的通道之一是大电导机械敏感通道（MscL）。虽然这个通道已经通过结构方法，电生理学和理论建模进行了大量的表征，但我们对其通过缓解高膜张力来防止细胞死亡的生理作用的理解仍然是脆弱的。在这项工作中，我们研究的贡献MscL单独渗透压休克后的细胞存活率在单细胞分辨率使用定量荧光显微镜。我们在E.大肠杆菌菌株，其缺乏除了MscL之外的所有机械敏感通道基因，MscL的表达通过Shine-Dalgarno序列的修饰在三个数量级上被调节。虽然理论模型表明，仅需要几个MscL通道来减轻渗透压的甚至大的变化，但我们发现每个细胞需要500至700个通道来传递80%以上的存活率。这个数字与野生型E. coli细胞中进行蛋白质组学研究和定量Western blotting。此外，我们在每个细胞少于100个通道的细胞中观察到零存活事件。这项工作开启了关于其他机械敏感通道对生存的贡献以及调节其活动的新问题。
2018-06-03 q-bio.CB q-bio.QM
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
