Motile Escherichia coli-laden Droplets Exhibit Reduced Adhesion and Anomalous Wetting Behavior
University of Waterloo（滑铁卢大学）；Indian Institute of Science（印度科学学院）
研究通过实验发现，含活大肠杆菌的液滴比含死菌的液滴表面粘附力更低，且浓度越高粘附力越小，原因是活菌的鞭毛运动抵抗蒸发驱动流，产生集体动力学，促进接触线解钉，从而降低粘附。
2026-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motility of \textit{Escherichia coli} in a quasi-two-dimensional porous medium
细菌通过密闭空间的迁移对于几种现象至关重要，如：生物膜形成，土壤中的细菌运输和细菌抗癌治疗。在目前的工作中，\textit{E. coli}（菌株K12-MG 1655 WT）的运动特性，通过记录和分析单个细菌的轨迹在模拟准二维多孔介质。通过在载玻片和盖玻片之间封闭与均匀的2.98 $μm$球形乳胶颗粒混合的细菌培养物样品来模拟多孔介质。通过改变胶乳颗粒浓度来控制介质的孔隙率。通过统计分析轨迹参数，如：瞬时速度和转向角，以及均方位移，我们能够量化不同乳胶颗粒浓度对细菌运动性的影响。为了更好地理解我们的结果，细菌的轨迹进行了模拟的现象学随机行走模型（开发专案），并与实验结果进行了比较。
2016-07-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Pressure and temperature dependence of growth and morphology of Escherichia coli: Experiments and Stochastic Model
我们研究了大肠杆菌（Escherichia coli）的生长，一种嗜温细菌，作为压力$P$和温度$T$的函数。大肠杆菌可以在很宽的压力（1- 400 atm）和温度（$23-40^{\circ}$ C）范围内生长和分裂。对于$T>30^{\circ}$ C，大肠杆菌的分裂时间随压力呈指数增加，并且对于我们实验中研究的所有温度，在250-400 atm之间的压力下表现出偏离指数行为。对于$T<30^{\circ}$ C，分裂时间显示出对压力的异常依赖性--首先随着压力的增加而减小，然后随着压力的进一步增加而增加。分裂时间的急剧变化伴随着E.高压下的大肠杆菌，其中细菌细胞转变为伸长的细胞类型。我们提出了一个模型，这种表型变化在高压下的细菌是一个不可逆的随机过程，而延长细胞类型的切换概率随着压力的增加而增加。该模型与实验数据吻合较好。我们讨论了我们的实验结果中的结构，从而在蛋白质和膜的功能变化。
2012-09-19 physics.bio-ph
Min-protein oscillations in Escherichia coli with spontaneous formation of two-stranded filaments in a three-dimensional stochastic reaction-diffusion model
我们引入了一个三维随机反应扩散模型来描述大肠杆菌中的MinD/MinE动力学结构。该模型自发地产生膜相关MinD蛋白、MinE环以及膜相关MinD蛋白的细丝的极到极振荡。实验数据表明MinD细丝是双股的。为了模拟它们，我们假设每个膜相关的MinD蛋白可以与相邻的膜相关的MinD分子形成多达三个键，MinE诱导的水解强烈依赖于MinD建立的键数。
2006-02-14 physics.bio-ph q-bio.OT q-bio.SC
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
Study of the Effects of High-Energy Proton Beams on Escherichia Coli
抗生素耐药细菌感染成为当今公共卫生保健最严重的风险之一。然而，令人沮丧的是，在过去十年中，新抗生素的开发进展甚微。因此，迫切需要寻找治疗耐药菌的替代方法。新的方法，其中包括光热疗法的基础上的金纳米材料和电离辐射，如X射线和γ射线，已被报道。高能质子辐射对细菌的影响研究主要集中在芽孢杆菌及其芽孢上。研究了质子束对大肠杆菌（Escherichia coli，E.大肠杆菌）的报道有限。大肠杆菌是获取代谢和遗传信息的重要生物学工具，也是研究毒性和抗菌活性的常用模式微生物。此外，E.大肠杆菌是哺乳动物肠道内常见的细菌。本文对E.大肠杆菌的质子辐照。细胞的稀释溶液用于质子束辐射。LB琼脂平板用于计数形成的菌落数。通过600 nm处的光密度监测细胞的生长曲线。光学显微镜下观察细胞形态学变化。微阵列分析检测辐照样品和未辐照对照样品之间的基因表达变化。
2015-07-17 physics.bio-ph q-bio.BM
Osmotaxis in Escherichia coli through changes in motor speed
细菌运动性，特别是对特定化学物质的排斥或吸引，已经成为100多年来的研究主题，导致对许多细菌物种中的细菌趋化性和相应的感觉网络的详细了解。对于大肠杆菌，目前的认识大多来自于低水平的化学活性配体的实验。然而，在人胃肠道中发现的浓度下的化学活性非活性化学物质在E.大肠杆菌的渗透压，并已被证明导致的士。为了了解这些非特异性的物理信号如何影响运动，我们研究了单个细菌鞭毛马达在外部渗透压逐步变化下的反应。我们将这些测量与相同条件下的群体游泳试验相结合。与趋化反应不同，观察到游泳/电机速度的长期增加，以及电机旋转偏置，这两者都与渗透休克幅度成比例。我们讨论了我们观察到的速度变化如何导致稳态细菌积累。
2017-03-11 physics.bio-ph
Swimming Efficiency of Bacterium Escherichia Coli
我们使用在体内测量的游泳细菌的光阱，以确定细菌推进的基本属性。特别是，我们确定的推进矩阵，其中涉及的角速度的鞭毛的扭矩和推动细菌的力量。从推进矩阵动力学特性，如力，扭矩，游泳速度和功率可以从电机的角速度的测量获得。我们发现不同个体之间存在显着的异质性，即使所有细菌都是从一个菌落开始的。的推进效率，定义为由电机提供的旋转功率输入的推进功率输出的比率，被发现是0.2%。
2005-12-22 physics.bio-ph
Min-oscillations in Escherichia coli induced by interactions of membrane-bound proteins
在分裂过程中，细胞正确地确定分裂位点是至关重要的。大肠杆菌在中间分裂，产生两个大小相等的子细胞。选择中心作为正确的分裂位点部分是通过Min蛋白实现的。它们在两个细胞极之间振荡，从而防止在这些位置分裂。在这里，这些振荡的现象学描述，在细胞膜上的蛋白质之间的横向相互作用发挥了关键作用。动态方程的解决方案进行了比较，实验结果。特别是，振荡的时间周期被测量为细胞长度的函数，并发现与理论预测是兼容的。
2005-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Escherichia coli activity characterization using a laser dynamic speckle technique
应用激光动态散斑技术表征细菌活性的结果。在双室培养皿中检测斑点活性。一个隔室接种，另一个隔室作为空白对照。用最近报道的时间差分法对散斑图像进行了处理。测试了0.3、0.5和0.7 McFarland单位细胞浓度的三种接种物;每种接种物测试两次，共进行六次实验。计算接种隔室和空白的平均活性、活性标准差和斑点图案演变的其他描述符对时间的依赖性。总之，所提出的动态散斑技术允许表征大肠杆菌细菌在固体介质中的活性。
2012-09-15 physics.bio-ph physics.optics
What is the 'minimum inhibitory concentration' (MIC) of pexiganan acting on Escherichia coli? - A cautionary case study
我们测量了抗菌肽pexiganan作用于大肠杆菌的最小抑菌浓度（MIC），并报告了这种测量的内在变异性。这些结果导致详细研究pexiganan对E.大肠杆菌，使用平板读数器和手动平板接种（即时间-杀灭曲线）。测量的生长曲线，连同单细胞观察和肽消耗测定，表明向该细菌的群体中添加亚MIC浓度的pexiganan杀死了一部分细胞，在该过程中降低了肽活性，同时使其余细胞不受影响。这一药效学假设表明了相当大的接种物效应，我们对此进行了量化。我们的研究结果对使用MIC作为“肽作用所需浓度的测量”表示怀疑，并显示了在人群水平上的“粗粒度”研究如何为正确规划和解释MIC测量提供重要信息。
2016-06-02 physics.bio-ph
Confocal micro-Raman Spectra of untreated and lethally treated Escherichia coli exposed to UV-B and violet light
我们报告的变化，在拉曼光谱的活土方ichi大肠杆菌（大肠杆菌），导致暴露于致命的能量密度的300 nm（UV-B）和405 nm（紫）的光子。在第一种情况下，4.13 eV的每光子能量足以破坏细菌中的大部分原子间键，并且观察到拉曼光谱的主要变化，特别是在RNA/DNA区域。该能量与连接磷酸根骨架部分的C-H、N-H和P-O键结合能接近共振，并可能引发拉曼修饰。相比之下，3.06 eV的紫光子能量不足以裂解较强的系统键。在这种情况下所需的大得多的致死通量在共振C-N和C-P键连接的氨基酸/蛋白质基团和脂质峰信号中产生显著变化，但在核苷酸-DNA/RNA特征中的变化要小得多。
2017-01-06 physics.bio-ph physics.chem-ph
Dispensability of Escherichia coli's latent pathways
在单细胞生物体上进行的基因敲除实验已经确定，对于最佳生长，不需要表达相当大一部分基因。这个问题获得了一个新的层面，最近发现，环境和遗传扰动的细菌大肠杆菌是由大量的潜伏代谢途径的临时激活，这表明假设，临时激活的反应影响生长，从而促进适应扰动的存在。在这里，我们测试这一假设计算和发现，令人惊讶的是，潜在途径的可用性始终没有提供增长的优势，事实上，往往会抑制遗传扰动后的增长。这被证明是真实的，即使是在交替条件下具有已知功能的潜在途径，从而将这种不利影响的意义扩展到明显的非必需基因之外。这些发现提出了潜在通路激活实际上是另一种潜在次优适应性反应的衍生物的可能性。
2011-03-27 cond-mat.dis-nn nlin.AO physics.bio-ph
Single-molecule imaging of DNA gyrase activity in living Escherichia coli
细菌DNA促旋酶将负超螺旋引入染色体DNA，并松弛通过复制和瞬时转录引入的正超螺旋。这些正超螺旋的去除对于复制叉进展和两个双链DNA链的整体解链以及持续的转录是必不可少的。为了解决促旋酶如何应对这些拓扑挑战，我们在活大肠杆菌细胞中使用了高速单分子荧光成像。我们证明，在任何时候，至少有300个促旋酶分子稳定地结合到染色体上，每个复制叉附近富集了约12种酶。捕获的反应中间体与环丙沙星显示进行催化配合物。2秒的停留时间被观察到的分散的促旋酶分子，我们建议保持稳定状态的负超螺旋的染色体水平。相比之下，复制体近端分子的停留时间约为8秒，这与这些在进行中的复制体前面催化进行性正超螺旋松弛一致。
2018-11-02 physics.bio-ph q-bio.BM
Isotropic diffusion of the small ribosomal subunit in Escherichia coli
核糖体是活细胞中最重要的大分子复合体之一。我们在指数生长的大肠杆菌中追踪了单个30 S核糖体亚基。大肠杆菌细胞使用三维单粒子跟踪，其中z位置估计使用散光。用S2-mEos 2取代E.大肠杆菌染色体的rpsB-mEos 2。跟踪的空间精度在xy上为20 nm，在z上为70 nm。平均轨迹由4个步骤组成，对应于80 ms。这些轨迹从细胞的部分中排除，与类核排除一致，并显示各向同性扩散，在x、y和z方向上具有几乎相同的表观扩散系数（0.05 +/- 0.01 um^2/s）。跟踪数据很好地符合双态扩散模型，其中46%的分子以0.02 um^2/s的速度扩散，54%的分子以0.14 um^2/s的速度扩散。这些状态可能对应于翻译70 S核糖体和游离30 S亚基。
2012-06-13 physics.bio-ph 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
Structure and function of Enterotoxigenic Escherichia coli fimbriae from differing assembly pathways
致病性产肠毒素大肠杆菌（ETEC）是发展中国家幼儿和旅行者腹泻的主要细菌原因，导致儿童死亡率很高。粘附菌毛是ETEC的主要毒力因子，启动小肠上皮的定植。与其他革兰氏阴性菌相似，ETEC表达一种或多种多样的菌毛，一些通过伴侣-引导途径组装，另一些通过替代伴侣途径组装。在这里，我们阐明结构和生物物理方面和适应每个菌毛类型，其各自的主机生态位。将CS20菌毛与CFA/I菌毛（两种ETEC菌毛通过不同途径组装而成）以及来自尿路致病性E.杆菌许多菌毛在力的作用下从它们的天然螺旋丝展开成延伸的线性构象，从而通过减少细菌和靶细胞之间接触点处的负荷来维持粘附。CFA/I菌毛需要的解旋力最小，其次是CS 20菌毛，然后是P-菌毛，其需要的解旋力最高。我们的结论，从我们的电子显微镜重建，建模，和力谱数据的目标龛中起着核心作用的菌毛的生物物理特性是至关重要的细菌病理生理学。
2014-11-06 physics.bio-ph q-bio.BM
Glycerol Modulates Water Permeation through Escherichia coli Aquaglyceroporin GlpF
在跨细胞膜运输水和甘油的水甘油孔蛋白中，大肠杆菌甘油摄取促进剂（GlpF）是研究最彻底的。然而，一个问题仍然存在：甘油调节水渗透？这项研究回答了这个基本问题，通过确定甘油的化学电位分布沿渗透路径通过GlpF的导电孔。Asn-Pro-Ala（NPA）基序附近有一个深井（解离常数14 μ M），选择性过滤器附近有一个屏障（高于井底10.1 kcal/mol）。这种配置文件的存在归功于GlpF的完美空间排列：甘油-蛋白质范德华相互作用在NPA附近是有吸引力的，但在导电孔的其他地方是排斥的。鉴于水和甘油在GlpF的两亲性孔中排成单行的性质，得出以下结论：甘油在微米范围内调节水的渗透。在mM浓度下，GlpF是甘油饱和的，并且停留在孔中的甘油堵塞了传导孔。因此，水渗透与甘油解离完全相关，其具有6.5 kcal/mol的Arrhenius活化势垒。这一理论的验证是基于现有的体外数据，其中一些数据没有得到应有的重视：发现水渗透的Arrhenius活化屏障为7 kcal/mol，甘油渗透的Arrhenius活化屏障为9.6 kcal/mol;高达100 mM甘油的存在不影响渗透性非常低的水运输动力学，这与预测高渗透性（0 M甘油）的现有理论明显矛盾。
2012-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Isotopic Resonance Hypothesis: Experimental Verification by Escherichia coli Growth Measurements
反应物的同位素组成影响化学和生物化学反应的速率。一般来说，重稳定同位素的富集导致反应较慢。但最近的同位素共振假说表明，反应速率对富集程度的依赖性不是单调的，相反，在某些共振同位素组成下，动力学增加，而在非共振组成下，相同的反应进展较慢。为了测试该假设对元素C、H、N和O的预测，我们设计了一个精确的（标准误差± 0.05%）实验来测量具有不同同位素组成的基本培养基中的细菌生长参数。一些预测的共振条件进行了测试，动力学增强，在这些条件下发现的正3%。综合证据非常有力地支持同位素共振的存在。这一现象对生命起源和天体生物学有许多影响，并可能应用于农业，生物技术，医学和其他领域。
2014-07-17 physics.bio-ph
Mobility of Min-proteins in Escherichia coli measured by fluorescence correlation spectroscopy
在大肠杆菌中，分裂位点的选择涉及蛋白质MinD和MinE的极到极振荡。不同的振荡机制的基础上，最小的蛋白质之间的合作效应和最小的蛋白质之间的细胞质和细胞质膜的交换已被提出。表征Min-蛋白体内动力学的参数尚不清楚。因此，很难将模型与实验进行定量比较。在这里，我们提出了在体内测量的流动性MinD和MinE使用荧光相关光谱。在相关曲线中可以清楚地看到两个不同的时间尺度。虽然较快的时间尺度可归因于细胞质扩散，但较慢的时间尺度可由膜结合蛋白的扩散或由细胞质与膜之间的蛋白质交换引起。我们确定细胞质MinD的扩散常数约为16μ^{2}/s，而对于MinE，我们发现约为10μ^{2}/s，与导致较慢时间尺度的过程无关。的振荡机制的测量值的影响进行了讨论。
2007-01-29 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Identifying all irreducible conserved metabolite pools in genome-scale metabolic networks: a general method and the case of Escherichia coli
代谢网络的化学计量通常会产生一系列特定代谢物集合的聚集浓度守恒定律，这不仅限制了网络的动力学，而且还提供了对细胞生产能力的关键见解。当守恒量与一个化学部分相同时，从化学计量学中提取所有这些守恒定律相当于找到NP-难规划问题的所有整数解。在这里，我们提出了一种新的和有效的计算策略，结合蒙特卡罗，消息传递，和松弛算法来计算一个给定的化学计量矩阵的完整的一套不可约整数守恒律，也提供了一个证书的正确性和最大值的解决方案。该方法部署在不同的生长介质中的细菌大肠杆菌的代谢的两个大规模重建的完整的一套不可约的整数池的分析。此外，我们发现了一个缩放关系，链接的大小不可约池的基础上的代谢物的数量，我们提出了一个分析解释。
2013-09-10 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph physics.chem-ph
Hybrid 1D Plasmonic/Photonic Crystals are Responsive to Escherichia Coli
基于光子晶体的生物传感器作为一种有效的、低成本的设备，具有很大的前景，可用于各种生物靶标的实时监测。鉴于高加工性和即使对于不熟练的操作员也易于读取，这些系统对于检测食品和水中的细菌污染物非常有吸引力。在这里，我们提出了一种新的混合等离子体/光子器件，是响应大肠杆菌，这是最危险的病原菌之一。我们的系统由一个薄层的银，表现出等离子体行为和众所周知的生物杀灭活性的金属，在一个解决方案处理的1D光子晶体的顶部。我们属性的生物响应性的修改后的银膜的介电性能的细菌污染，一种效果，可能源于在Ag/细菌界面内的一种生物掺杂机制的极化电荷的形成。有趣的是，这引发了光子响应的蓝移。这项工作表明，我们的混合等离子体/光子设备可以是一个低成本和便携式平台，用于检测食品和水中的常见污染物。
2019-05-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.bio-ph
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
Metabolite essentiality elucidates robustness of Escherichia coli metabolism
复杂的生物系统在组织的各个层面上对遗传和环境的变化都非常强大。大肠杆菌代谢的许多生物学功能可以通过使用冗余或替代途径来抵抗单基因甚至多基因突变。因此，只有有限数量的基因被鉴定为对细胞是致命的。在这方面，以反应为中心的基因缺失研究在理解代谢稳健性方面具有局限性。在这里，我们报告使用通量总和，这是一个特定的代谢物周围的所有传入或传出通量在伪稳态条件下的总和，作为一个很好的保守属性，阐明这种鲁棒性的E。从代谢物的角度来看。的功能行为，以及对细胞生存至关重要的代谢产物的结构和进化特性，通过基于约束的通量分析扰动条件下进行了研究。必需代谢物能够保持稳定的通量总和，即使对严重的扰动，积极重新分配相关的通量。发现破坏通量和维持抑制细胞生长。这种分析代谢物必要性的方法提供了对细胞稳健性和伴随的脆弱性的深入了解，其可用于多种应用，包括用于治疗病原体的新药的开发。
2007-08-14 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
A yield-cost tradeoff governs Escherichia coli's decision between fermentation and respiration in carbon-limited growth
已知许多微生物系统响应于例如由营养应激或抗生素诱导的生长条件的变化而主动重塑其蛋白质组。这种重新分配的部分原因是，由于生长速率受到特定代谢活动的限制，细胞只是通过微调蛋白质组来做出反应，将更多的资源投入到限制性活动中（即合成更多的蛋白质）。然而，这通常伴随着代谢的全面重组，旨在通过不同途径重新布线资源来提高限制下的生长产量。虽然这两种效应都会影响蛋白质组的组成，但后者是对应激的更复杂的全身反应的基础。通过对E.大肠杆菌的“乙酸开关”，我们使用数学建模和重新分析的经验数据表明，从一个主要的发酵过渡到一个主要的呼吸代谢在碳限制生长的结果之间的权衡最大化的生长产量和最小化其成本方面所需的蛋白质组份额。特别是E.大肠杆菌的代谢表型似乎是帕累托最优的这些目标函数在广泛的稀释度。
2017-03-02 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Experimental evolution of diverse Escherichia coli metabolic mutants identifies genetic loci for convergent adaptation of growth rate
细胞生长取决于底物的可用性和细胞将底物同化成结构单元的代谢能力。决定生长速率的代谢基因可能协同或拮抗地相互作用，并且可以加速或减缓生长，这取决于遗传背景和环境条件。我们进化了一组不同的大肠杆菌单基因缺失突变体，具有一系列的生长速率，并确定了通常增加生长速率的突变。尽管亲本菌株之间存在代谢差异，但增强生长的突变主要定位于核心转录机制，包括RNA聚合酶（RNAP）的$β$和$β'$亚基以及转录延伸因子NusA。RNAP的决定增强生长的结构片段先前已经涉及抗生素抗性和转录延长和暂停的控制。我们进一步开发了一个计算框架来表征在获得这些突变后发生的转录变化如何影响菌株的生长速率。我们的实验和计算结果为RNAP突变改变活性转录和基因沉默之间的竞争平衡提供了证据。这项研究表明，RNAP特定区域的突变是一种收敛的自适应解决方案，可以提高不同代谢状态细胞的生长速度。
2018-12-13 physics.bio-ph q-bio.MN
Biophysical characterization of membrane phase transition profiles for the discrimination of Outer Membrane Vesicles (OMVs) from Escherichia coli grown at different temperatures
动态光散射（DLS）、小角X射线散射（SAXS）和透射电子显微镜（TEM）是广泛用于表征囊泡（如脂质体或人细胞外囊泡（外来体））的形态和结构的物理技术。细菌细胞外囊泡在大小上与人类外泌体相似，尽管它们的功能和膜性质尚未像外泌体那样详细阐明。在这里，我们应用上述技术，协同使用浊度技术的囊泡脂质膜的热力学表征的革兰氏阴性细菌（外膜囊泡，OMV）在不同温度下生长产生的囊泡的研究。这项研究表明，我们的组合方法是有用的，以区分不同来源的囊泡或来自不同的实验条件下培养的细菌。我们设想，在不久的将来，我们的工作中采用的技术将进一步实施，以区分复杂的混合物的细菌囊泡，从而显示出巨大的前景，为生物医学或诊断应用。
2019-11-28 physics.bio-ph
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
Ultrasensitivity and Fluctuations in the Barkai-Leibler Model of Chemotaxis Receptors in {\it Escherichia coli}
用Barkai-Leibler模型的随机形式描述了{ \it E.大肠杆菌}的构象动力学研究，阐明内在网络噪声的影响。它最初被提出来解释{ \it E.大肠杆菌}中观察到的广泛的空间均匀的引诱剂/驱避剂（配体）浓度。受体可以是活性的，也可以是非活性的，并且可以在两种状态之间随机切换。酶CheR使非活性受体甲基化，而CheB使活性受体去甲基化，其活性的可能性取决于其甲基化和配体化的水平。每个受体具有两个甲基化位点（M=2）的模型的简单版本显示出零级超灵敏度（ZERO），类似于Goldbeter和Koshland（GK）研究的共价修饰的经典2态模型。对于非常小和大的配体浓度，该系统减少到两个2状态GK模块。在线性噪声近似（LNA）下的数学估计的活性（方差）的自发波动的定量测量发现峰值附近的Zynga过渡。方差是配体和受体浓度的弱、非单调和递减函数。Gillespie模拟M=2下得到的LNA的分析结果显示出良好的协议。M=2、3和4的数值结果表明，平均活度中的Z是零，M越大，方差越小。从现有的实验数据推导出的受体噪声的大小与我们的预测是一致的。对下游信号通路的简单分析表明，这种噪音足够大，对生物体的运动性有有益的影响。平均受体活性的响应小的时间依赖性变化的外部配体浓度，线性响应理论内计算，被发现有一个双叶的形式。
2017-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Run-to-Tumble Variability Controls the Surface Residence Times of ${\it E.~coli}$ Bacteria
已知能动细菌在表面积累，最终导致细菌运动性和生物膜形成的变化。我们使用一种新的双色，三维拉格朗日跟踪技术，同时遵循的机构和鞭毛的野生型${\it Escherichia~coli}$。我们观察到长的表面停留时间和表面逃逸主要对应于立即先行翻滚。一个运动模型占一个大的行为变化，在运行时间内，再现所有的实验结果，并给出了新的见解表面捕获效率。
2022-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
From Conformational Spread to Allosteric and Cooperative models of E. coli flagellar motor
大肠杆菌利用由旋转马达激活的鞭毛游动。马达的旋转方向由单个信使蛋白的结合间接调节。构象扩展模型已被证明可以准确地描述平衡特性以及鞭毛马达的动力学。在本文中，我们研究这个模型从分析的角度来看。通过利用实验中观察到的时间尺度的分离，我们展示了如何减少构象传播模型的粗粒度，合作绑定模型。我们表明，这个简化的模型再现非常好的电动机开关的动态。
2016-09-29 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Dynamic detection of a single bacterium: nonlinear rotation rate shifts of driven magnetic microsphere stages
我们报告了一种新的技术，这是用于检测单一的大肠杆菌，是基于在一个外部磁场驱动的磁性微球的非线性旋转的变化。在2.0微米的磁性微球表面上存在一种大肠杆菌细菌，导致了系统阻力的容易测量的变化，因此，在非线性旋转速率。直接测量使用标准显微镜技术，并且观察到的非线性旋转速率的平均偏移改变了约3.8倍。
2006-10-19 physics.bio-ph
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
Hydrodynamic attraction of swimming microorganisms by surfaces
在封闭环境中游动的细胞被表面吸引。我们测量两个玻璃板之间的平稳游泳细菌（大肠杆菌）的稳态分布。与早期的研究一致，我们发现边界处的细胞浓度大幅增加。我们从理论上证明，游泳细胞与固体表面的流体动力学相互作用导致它们在平行于表面的方向上重新取向，以及它们被最近的壁吸引。一个模型推导出的稳态分布的游泳细胞，这与我们的测量相比，毫不逊色。我们利用我们的数据来估计鞭毛推进力在游泳E。杆菌
2008-06-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stochastic model for the CheY-P molarity in the neighbourhood of E. coli flagella motors
大肠杆菌是研究交替进行奔跑和翻滚的围毛型肠道细菌的原型。细菌由于其鞭毛束的逆时针（CCW）旋转而向前移动，并且当至少一个鞭毛顺时针（CW）旋转时，细菌会从鞭毛束中离开。鞭毛被钩在纳米直径的分子旋转马达上，能够在CCW和CW旋转之间进行转换，持续时间长达百分之一秒。与此同时，鞭毛在十分之一到十秒的时间内移动或旋转细菌的身体。我们假设CCW和CW旋转之间的过渡只发生在两个阈值的存在下的Chey-P摩尔浓度的波动，并且否决规则选择运行或翻滚运动。我们目前Langevin方程的Chey-P摩尔浓度在附近的每个分子马达。该模型允许获得运行或翻滚时间分布作为递减指数的线性组合，其是在分子马达附近的Chey-P的稳定摩尔浓度的函数，其拟合实验数据。反过来，如果内部信号系统是未受刺激的，我们表明，运行时分布达到幂律行为，自组织系统的一个特征，在一定的时间范围内，之后，指数截止。此外，我们的模型解释了没有任何拟合参数的鞭毛电机的超灵敏度作为一个函数的Chey-P摩尔浓度的稳定状态。此外，我们发现，翻滚的偏见peritrichous细菌有一个类似的S形形状的CW偏置，虽然转移到较低的浓度时，鞭毛数量的增加。因此，鞭毛数量的增加允许每个马达的较低操作值，从而增加趋化途径的扩增和稳健性。
2019-11-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Applications of nanoparticles of gamma Fe2O3 for hyperthermia in E.coli by Nd:YAG laser
本文探讨了使用γ-Fe 2 O3纳米粒子通过吸收Nd：YAG激光器发出的1064 nm辐射对生物体进行热疗。大肠杆菌细胞已经被用作用于证明其中赖氨酸被用作细胞壁和纳米颗粒之间的界面的效果的模型系统。扫描电子显微镜观察已经唯一地证明，氧化铁纳米颗粒与赖氨酸一起单独附着是吸收上述辐射的原因。通过细胞的生长速率测量和蛋白质评估提供了定量估计。采用直流电弧等离子体辅助气相凝聚法制备了γ-Fe 2 O3纳米粒子。
2007-05-17 physics.bio-ph
Swimming of peritrichous bacteria is enabled by an elastohydrodynamic instability
周围有鞭毛的细菌，如大肠杆菌，通过使用专门的马达旋转多个螺旋丝来在流体中自我推进。每个马达的旋转被传递到一个称为钩的短而灵活的部分，该部分又将其传递到鞭毛丝，从而使整个细胞能够游泳。由于多个马达在空间上分布在生物体的身体上，人们会期望来自细丝的推进力相互推动，从而导致可以忽略的游泳。我们使用的计算和理论相结合，表明多鞭毛细菌的游泳是由弹性流体动力学弯曲不稳定性发生的钩更灵活的临界阈值。使用过去的测量钩弯曲刚度，我们展示了如何设计真正的细菌，使他们能够安全地在这方面的不稳定性，促进系统的游泳。
2018-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Tuning the torque-speed characteristics of bacterial flagellar motor to enhance the swimming speed
在一篇经典论文中，爱德华·珀塞尔分析了鞭毛细菌游泳者的动力学，并推导出一种优化推进效率的几何关系。野生型细菌物种E.大肠杆菌已经表明，它们非常符合这种几何最优性。然而，在珀塞尔的原始分析中没有考虑鞭毛电机速度对负载的依赖性以及更一般地鞭毛电机的转矩-速度特性的作用。在这里，我们推导出一个调谐条件表示鞭毛的几何形状和扭矩-速度特性的鞭毛电机之间的匹配，以最大限度地提高细菌的游泳速度，对于一个给定的负载。这个条件与Purcell的几何最优性条件无关，有趣的是，野生型E不满足这个条件。大肠杆菌，其比给定的可用电机扭矩的量的最大可能速度慢2-3倍。我们的分析还揭示了存在一个异常的推进制度，游泳速度随着负载（阻力）的增加而增加。最后，我们提出的实验数据，支持我们的分析。
2019-08-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Direct measurement of cell wall stress-stiffening and turgor pressure in live bacterial cells
我们研究完整的和膨胀的大肠杆菌细胞使用原子力显微镜分离的贡献细胞壁和膨压的整体细胞刚度。我们在E.大肠杆菌细胞壁，指数为1.22 \pm 0.12，使得完整细胞中的壁比未加压的球囊中的壁显著更硬（在轴向和周向方向上E = 23 \pm 8 MPa和49 \pm 20 MPa）。这些测量也表明活细胞E.大肠杆菌的压力为29 \pm 3 kPa。
2011-07-13 physics.bio-ph q-bio.BM
Pattern formation in e. coli through negative chemotaxis: instability, condensation, and merging
本研究结合实验与修正的Keller-Segel方程模型，探究了大肠杆菌在均匀压力下通过负趋化性形成凝聚物的动力学，揭示了其在不同时间尺度上的不稳定性、凝聚物形成与合并机制，并发现相邻聚集物间的作用力随距离指数衰减。
2025-02-06 physics.bio-ph
Stuttering Min oscillations within E. coli bacteria: A stochastic polymerization model
我们建立了一个三维非格子随机聚合模型来研究大肠杆菌中Min蛋白的亚细胞振荡，并用它来研究Min振荡口吃的实验现象.口吃的影响，立即重新绑定的速度释放的MinE解聚丝尖（持续合成能力），保护解聚丝尖从MinD绑定，和MinD丝由于MinE的碎片。每一个持续合成能力，保护，和碎片减少口吃，速度振荡，并减少MinD细丝长度。无论是持续性还是尖端保护，本身都不足以产生快速的无口吃振荡。虽然细丝碎片本身可能导致快速振荡，但不经常出现口吃;高水平的碎片会降低振荡。在标准Min振荡中观察到的罕见口吃与MinD的短细丝一致，而我们预计表现出更高口吃频率的突变体将表现出更长的MinD细丝。增加的口吃率可能是一个有用的诊断，发现可观察到的MinD聚合在实验条件下。
2012-07-23 physics.bio-ph q-bio.SC
An Element of Determinism in a Stochastic Flagellar Motor Switch
海洋细菌溶藻弧菌使用单个极性鞭毛在水环境中导航。与大肠杆菌细胞类似，极鞭毛马达有两种状态;当马达逆时针时，细胞向前游动，当马达顺时针时，细胞向后游动。溶藻弧菌还在向前游泳间隔开始时通过轻弹其鞭毛并入方向随机化步骤。为了了解极鞭毛运动开关是如何调节的，本文研究了前向$Δ_{f}$和后向$Δ_{b}$间隔的分布。我们发现，稳态概率密度函数，$P(Δ_{f})$和$P(Δ_{b})$，自由游动的细菌在有限的时间强烈达到峰值，这表明电机开关不是泊松。短时间抑制足够强和持久，即，对于两个间隔都是几百毫秒，这是容易观察和表征的。将运动反转动力学视为由运动开关构象波动引起的第一通道问题，计算了$P(Δ_{f})$和$P(Δ_{b})$，发现与测量结果吻合良好。
2015-04-22 physics.bio-ph
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
Fundamental constraints on the abundances of chemotaxis proteins
有鞭毛的细菌，如大肠杆菌，在一个称为趋化性的过程中，在引诱剂和排斥剂的浓度梯度中进行定向运动。急诊大肠杆菌趋化性信号通路是一种信号转导的模型，但它有其独特之处。我们证明，需要快速的信号需要高丰度的蛋白质参与这一途径。我们表明，进一步限制趋化蛋白的丰度产生的要求，自组装，鞭毛电机和化学感受器阵列。所有这些限制都是特定于趋化性的，已发表的数据证实趋化性蛋白往往比其他途径中的同源物表达更高。采用一个趋化途径模型，我们表明，在响应调节剂CheY的水平上的途径的增益增加与整体趋化蛋白丰度。这可以解释为什么，至少在一个E。大肠杆菌菌株中，所有趋化蛋白的丰度在营养含量较低的培养基中较高。我们还证明了E.大肠杆菌趋化途径对马达蛋白FliM的丰度变化特别稳健。
2015-03-10 physics.bio-ph q-bio.MN
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
Polar features in the flagellar propulsion of E. coli bacteria
E.大肠杆菌的游动方式是奔跑和翻滚。在运行状态下，所有鞭毛连接成一个螺旋束，推动细胞体沿着近似直线的路径前进。当一个或多个鞭毛马达反转方向时，鞭毛束就会展开，细胞的方向也会随机化。这幅基本图代表了一个更为复杂的动力学问题的理想化。虽然它已被证明，束形成可以发生在任何一极的细胞，它仍然不清楚是否这两个运行状态对应于不对称的推进功能。使用全息显微镜，我们记录了单个细菌在光阱中游泳的3D运动。我们发现，大多数细胞具有两个运行状态，其特征在于不同的推进力，总扭矩和束构象。我们分析了束反转的统计特性，并比较了正向和反向运行状态下的流体动力学特征。我们的方法是自然的多粒子，并开辟了相互作用的游泳细胞的受控流体动力学研究的道路。
2015-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Absolute bacterial cell enumeration using flow cytometry
目的：评价使用参比微珠计数混合物中存在的活菌和死菌的流式细胞术方案。方法和结果：制备了活的和死的大肠杆菌的混合物，活的：死的浓度比从0到100%不等。使用SYTO 9和碘化丙啶对这些样品进行染色，并加入6 μm参比微珠。活样本中存在的细菌通过琼脂平板计数计数。在用异丙醇处理之前，通过琼脂平板计数对死亡样品中存在的细菌进行计数。流式细胞术检测活、死大肠杆菌的方法与琼脂平板计数呈线性关系（R2 = 0.99）。coli（R2 = 0.93）的浓度。104至108细菌ml-1的活菌和死菌的混合物。结论：活大肠杆菌计数可靠。活菌浓度比在2.5%以上时，活菌和死菌混合物中的大肠杆菌计数是可能的。coli的最低限度为ca.百分之二十的人死了研究的意义和影响：获得绝对细胞浓度的能力仅适用于选定的流式细胞仪，本研究描述了一种适用于无专门计数功能的基本流式细胞仪的准确计数方法。通过对该方法在E.提出了应用FCM计数方法的注意事项，旨在为今后不同菌株采用类似方法计数奠定基础。
2017-06-20 physics.bio-ph q-bio.QM
Orientation of Swimming Cells with Annular Beam Optical Tweezers
光镊是一种多功能工具，可用于操纵小颗粒，包括运动和非运动的细菌和细胞。非球形粒子在光束中的取向取决于粒子的形状和光场的形状。通过使用多个光束、雕刻的光场或动态变化的光束，可以控制某些粒子的方向。本文讨论了杆状细菌大肠杆菌（Escherichia coli，E。大肠杆菌）。我们从用于棒状粒子定向的不同光束的例子开始。我们讨论了运动和非运动粒子的取向之间的差异，并探讨环形光束和情况下，他们可能是有益的非球形粒子或细胞的操作。通过模拟，我们绘制出了E。大肠杆菌感染。估计沿轨迹的陷阱刚度使我们能够深入了解中间旋转相对于所需方向的稳定性。利用这种方法，我们预测和实验验证的运动E的取向的变化。大肠杆菌从垂直到近水平，只有一个中间步骤。该方法不是专门探索粒子的方向，可以很容易地扩展到量化的稳定性的任意粒子轨迹。
2019-11-13 physics.bio-ph physics.optics
Optimal methylation noise for best chemotactic performance of {\sl E. coli}
E.大肠杆菌调节鞭毛马达的旋转偏向，鞭毛马达控制其奔跑和翻滚运动，以向高营养浓度的区域迁移。随机噪声在细胞生化通路中的存在对运动偏向的转换机制有重要影响，进而影响细胞的运行和翻滚。我们用激酶活性、甲基化水平和CheY- P-蛋白水平这三个随机变量的耦合时间演化来模拟细胞内反应网络，并研究甲基化噪声对细胞趋化性能的影响.在空间变化的营养物浓度分布的存在下，良好的趋化性能允许细胞快速爬上浓度梯度并在长时间限制内定位在营养物丰富的区域。我们的模拟表明，最佳的性能是在最佳的噪声强度。虽然预期对于非常大的噪声，趋化性将较弱，但违反直觉的是，即使当噪声水平下降到某一值以下时，性能也会下降。我们通过对不同噪声强度下CheY- P-蛋白水平统计的详细分析来解释这一惊人的结果。我们发现，当CheY-P水平低于一定的（噪声依赖）阈值时，细胞倾向于沿着营养物质的浓度梯度移动，这对其趋化反应产生不利影响。该阈值随着噪声的增加而降低，并且这种效应是噪声诱导的趋化性能增强的原因。在恶劣的化学环境中，当营养素随时间降解时，细胞轨迹拦截的营养素的量是有效的性能标准。在这种情况下，我们也找到了一个最佳的噪声强度，这取决于营养寿命。
2018-04-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
