Dynamics of the bacterial flagellar motor with multiple stators - Supporting Information
在本支持信息中，我们简要描述了扭矩-速度测量程序。我们展示了模拟中使用的钩弹簧柔量。我们分析了移动和等待时间间隔的分布函数。我们研究了转矩平台区域对定子跳变率和截止角的依赖性，以及对不同转子-定子-电势和负载-转子力的结果的鲁棒性。
2009-01-14 physics.bio-ph q-bio.SC
Load-dependent adaptation near zero load in the bacterial flagellar motor
细菌鞭毛马达是一种离子动力的跨膜蛋白复合物，在许多细菌物种中驱动游泳。马达由一个细胞质“转子”环和许多“定子”单元组成，它们与细菌的细胞壁结合。最近，它已被证明，在电机中的功能扭矩产生定子单元的数量取决于外部负载，并建议，在鞭毛电机中的mechanosensing是通过一个'捕捉债券'机制驱动电机的定子单元。我们提出了一种方法，使我们能够测量-在一个单一的电机-定子单元动态在很大范围内的外部负载，包括接近零转矩限制。通过将超顺磁珠附着在鞭毛钩上，我们可以通过旋转磁场控制马达的速度。我们在两种不同的离子动力（IMF）条件下操纵电机到四个不同的速度水平。该框架允许通过分离出影响电机扭矩的电机特性（例如转速和IMF形式的能量可用性）来更深入地探索负载相关重构背后的机制。
2019-09-12 physics.bio-ph q-bio.SC
Steps in the bacterial flagellar motor
细菌鞭毛马达是许多细菌用来推动自身的高效旋转机器。最近已经表明，在低速下，它的旋转是逐步进行的[Sowa等人（2005）Nature 437，916- 919]。在这里，我们提出了一个简单的物理模型，占这种步进行为作为一个随机行走在一个倾斜的波纹潜力，结合扭矩和接触力。我们认为，转子的绝对角位置是至关重要的理解步骤的属性，并表明这一假设是一致的，与现有的数据，特别是观察到向后的步骤平均小于向前的步骤。我们的模型还预测了一个次线性的转矩-速度关系，在低转矩，转子扩散作为转矩的函数的峰值。
2009-04-02 physics.bio-ph q-bio.SC
The Limiting Speed of the Bacterial Flagellar Motor
最近对细菌鞭毛马达的实验表明，这种驱动各种细菌物种运动的纳米机器的结构比以前认为的更具活力。具体而言，主动扭矩产生单元（定子）的数量在施加的载荷之间变化。这一发现无效的实验证据报告，限制（零扭矩）的速度是独立的积极定子的数量。在这里，我们建议，与以前的假设相反，电机的最大速度不是通用的，而是随着额外的扭矩发生器的招募而增加。这一结果源于我们的假设，即定子脱离电动机的一个显着的一部分，其机械化学循环在低负荷。我们表明，这一假设是一致的，目前的实验证据和巩固我们的预测与参数，一个进程电机必须有一个高的占空比在高负载。
2015-05-22 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Flagellar number governs bacterial spreading and transport efficiency
周毛细菌同步并捆绑它们的鞭毛以活跃地游泳，而捆绑的破坏导致翻滚。目前尚不清楚鞭毛的数量是否代表了优化细菌导航的进化适应。在这里，我们研究的游泳动力学的差异鞭毛枯草芽孢杆菌菌株在准二维系统。我们发现，减少鞭毛N的数量减少了两个连续运行阶段之间的平均转角，并提高了运行阶段的持续时间和方向持久性。因此，具有较少的鞭毛有利于长距离运输和快速传播，而具有大量的鞭毛有利于需要定位和缓慢动力学的过程，例如生物膜形成。我们开发了一个两态随机游走模型，采用自发切换状态之间，并产生精确的解析表达式的传输特性，在显着的协议与实验。基于我们的两态模型的数值模拟结果表明，搜索和探索环境的效率是最佳的N的中间值。搜索时间最小化的N的最佳选择随着细菌游动环境的大小而减小。
2019-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanics of torque generation in the bacterial flagellar motor
细菌鞭毛马达（BFM）负责驱动细菌的运动和趋化性，是致病和生物膜形成的基本过程。在BFM中，扭矩在跨膜蛋白（定子）和转子之间的界面处产生。已经确定的是，离子沿着跨膜梯度通过定子复合体提供了扭矩产生所需的能量。然而，这种能量转换所涉及的物理学仍然知之甚少。在这里，我们提出了一个机械特定的模型在BFM的扭矩产生。特别是，我们确定了两个基本的力量参与扭矩的产生：静电和立体。我们建议，静电力用于定位定子，而立体力包括实际的“功率冲程”。具体而言，我们预测，离子诱导的构象变化约脯氨酸“铰链”残基的$α$ -螺旋的定子是直接负责产生的功率冲程。我们的模型预测符合最近的单定子电机实验。此外，我们提出了几个实验来阐明电机的定子数量可能不是恒定的转矩-速度关系。该模型提供了一个机械的解释鞭毛电机的几个基本特征，包括：扭矩-速度和速度-离子动力的关系，backstepping，步长的变化，和群集实验的难题。
2015-01-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Coupling between switching regulation and torque generation in bacterial flagellar motor
细菌鞭毛马达在细菌的运动和趋化性中起着至关重要的作用。最近的实验表明，电动机的开关动态取决于电动机的转速，从而电动机的转矩，非单调。在这里，我们提出了一个统一的数学模型，模型电机转矩产生的基础上，实验转矩-速度曲线和转矩相关的开关的基础上的构象扩散模型。该模型成功地再现了所观察到的开关速率的旋转速度的函数，并提供了一个通用的物理解释独立的大多数细节。定子通过两种机制影响切换动态：加速各个转子切换单元的构造翻转速率，这有利于较慢的电机速度，从而增加扭矩;以及在单位时间内影响更多的切换单元，这有利于更快的速度。因此，切换速率在中间速度处显示出最大值。我们的模型预测，电机开关更经常与更多的定子。负载转换关系可以用作感测物理环境的机制，类似于感测化学环境的趋化性系统。它还可以协调细胞内马达的开关动力学。
2013-07-25 physics.bio-ph q-bio.SC
Damage and recovery of flagella in soil bacteria exposed to shear within long microchannels
本文通过长微通道剪切实验与运动性监测，揭示 B. diazoefficiens 鞭毛丝的剪切断裂及再生恢复，并测得侧生与近极生鞭毛丝的不同再生时间。
2025-01-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multiflagellarity facilitates bacterial upstream motility
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；National Institute for Mathematical Sciences（韩国数学科学国立研究所）；Chung-Ang University（中央大学）；University of Cincinnati（辛辛那提大学）
本研究通过实验与模拟揭示，多鞭毛性通过稳定近壁停留和剪切驱动的风向标效应促进细菌逆流运动，而非依赖游泳速度。
2026-09-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Physical mechanism reveals bacterial slowdown above a critical number of flagella
本文通过增强细长体理论模拟研究多鞭毛细菌游动，发现鞭毛马达在临界鞭毛数量处由高载荷转入低载荷状态，从而解释细菌游动减速的物理机制，并预测临界数量随粘度增大。
2024-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
A mechanistic model for the asymmetric torque-speed relationships of a bacterial flagellar motor
一个微小的细菌鞭毛马达在逆时针（CCW）和顺时针（CW）两个旋转方向上旋转。鞭毛马达的最重要的可测量特性是其在CCW或CW模式下的扭矩与角速度的关系，发现其彼此不对称，并且仍然没有清楚地理解这种现象。我们通过一个机械模型解释了这种不对称性，该模型基于对电机旋转和灯丝的旋转以及旋转运动的详细扭矩分析，珠子我们发现，不对称的结果从构象变化的钩子由于旋转切换，而不是任何非对称的变化所产生的定子-转子相互作用的平均力的潜力。在CCW模式下，当吊钩保持弯曲和柔性时，旋转运动占主导地位，并且由于阻力而产生的该运动中的恢复扭矩控制扭矩-速度曲线的形状。然而，在CW模式下，随着钩变直和刚性，自旋运动占主导地位，并且由于对应于该运动的阻力的恢复扭矩，出现线性扭矩-速度关系。我们的研究表明，钩的构象变化后的电机的生物功能的重要作用，并铺平了道路，为进一步的实验探索这种不对称的结构起源。
2021-09-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Impacts of multiflagellarity on stability and speed of bacterial locomotion
单鞭毛和多鞭毛细菌的轨迹和构象进行了研究与一个粗粒度的模型，由弹性鞭毛连接到一个细胞体的细胞。钩蛋白（连接细胞体和鞭毛）和鞭毛的弹性是不同的。灵活性在单鞭毛和多鞭毛游泳者中扮演着截然不同的角色。对于单鞭毛游泳者，钩和/或鞭毛屈曲发生在相对于由鞭毛马达施加的扭矩的临界柔性之上。添加第二鞭毛大大扩展了稳定运动的参数制度，因为灵活的钩，将导致屈曲不稳定的单鞭毛的情况下提供的鞭毛捆绑在biflagellar的情况下所需的灵活性。类似的观察也适用于三鞭毛和四鞭毛游泳者。事实上，单鞭毛和四鞭毛游泳的稳定性制度实际上是颠倒的-第一近似在一种情况下是稳定的，在另一种情况下是不稳定的。游泳速度也检查：它增加非常弱的鞭毛数量和一个简单的理论来解释这一观察。
2018-10-09 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Evaluation of the duty ratio of bacterial flagellar motor by a dynamic load control
细菌鞭毛马达是自然界中最复杂的纳米机器之一。占空比$D$是定子和转子相互作用的时间的分数，并且是表征电机的基本属性，但仍有待确定。已知的是，电动机的定子单元动态地绑定到电动机和与电动机分离，以根据电动机上的负载来控制电动机转矩。在诸如质子移位速度的动力学限制旋转速率的低负载下，旋转速率对定子单元数$N$的依赖性推断出$D$ ;对于较小的$D$，依赖性变得更大。报告了支持小型和大型$D$的矛盾观察结果。一个难题是，由于定子单元容易分离，因此难以在低负载下探索大范围的$N$，并且在负载消失时，$N$被限制为一个或两个。在这里，我们开发了一种电旋转的方法来动态控制负载的鞭毛电机{ \it沙门氏菌}与校准的扭矩大小。通过立即降低负载以保持$N$高，我们观察到低负载下的速度取决于$N$，这意味着小的占空比。我们恢复了各个电动机的转矩-速度曲线，并根据高负载时的转矩和低负载时的转速之间的相关性将占空比评估为$0.14 \pm 0.04$。
2019-02-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Direct vs indirect hydrodynamic interactions during bundle formation of bacterial flagella
大多数能动的细菌通过旋转多个螺旋鞭毛细丝在粘性液体中游动。这些半刚性的细丝重复地连接（“束”）和分离（“解束”），导致细胞的两步法随机行走样运动。在这个过程中，已知细丝之间的流体动力学相互作用起着重要作用，并且可以分为两种不同的类型：通过细丝本身的致动产生的流动介导的直接相互作用，以及通过细胞体的运动介导的间接相互作用（即，由推进引起的游泳框架中诱导的流动）。为了了解这两种类型的相互作用的相对重要性，我们研究了鞭毛捆绑的最小奇异模型。使用流体动力学图像，我们解决了流动分析和计算直接和间接的相互作用，正是作为一个函数的鞭毛丝的长度和它们的角间距。结果表明：（i）仅鞭毛产生的推力就足以通过两种相互作用驱动系统向成束状态运动;（ii）对于长丝状体和宽分离，即成束过程的早期阶段，间接平流占主导地位;和（iii），相比之下，直接相互作用占主导地位时，鞭毛丝在彼此的唤醒，我们数学上。我们进一步介绍了一个数值弹性流体动力学模型，使我们能够计算每个鞭毛丝的螺旋轴的动力学，同时分别分析直接和间接的相互作用。有了这个，我们表明（iv），在捆绑过程中，直接和间接的相互作用之间的平衡的转变是非单调的，在直接优势的峰值，和鞭毛的不同部分受到这些变化在不同程度上。
2020-11-17 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Genetic noise mechanism for power-law switching in bacterial flagellar motors
鞭毛旋转方向的转换是控制大肠杆菌趋化活性的关键机制。大肠杆菌和许多其他细菌。开关时间的幂律分布是最特殊的，因为它们的出现不能从简单的热力学参数推导出来。最近有人建议，通过添加有限时间的相关性到高斯起伏调节的两个旋转状态之间的势垒的能量高度，可以产生一个幂律开关统计。通过使用一个简单的模型的监管途径，我们表明，所需的数量的相关的“噪音”可以产生有限数量的波动反应蛋白质分子，细胞内化学的共同条件。相应的幂律指数出现作为一个可调特性控制的参数的调节途径网络，如平衡数的分子，灵敏度，和特征弛豫时间。
2018-04-02 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
Reconstruction of the Bacterial Flagellar Motor's Energy Landscape, Viscous Load, and Torque Generation Across Diffusion Regimes
Univ. Montpellier（蒙彼利埃大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；INSERM（法国国家健康与医学研究院）
本研究通过单分子数据重构细菌鞭毛马达的能量景观，揭示其扭矩-速度关系在临界倾斜处的非线性特性，并提出适用于其他循环步进马达的通用方法。
2025-12-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Dynamics of the bacterial flagellar motor with multiple stators
细菌鞭毛马达驱动鞭毛丝的旋转，并使许多种类的细菌能够游动。扭矩是由固定在肽聚糖细胞壁上的定子单元与转子相互作用产生的。最近的实验[Yuan，J. & Berg，H. C.（2008）PNAS 105，1182-1185]表明，在零负载附近，电动机的速度与定子的数量无关。在这里，我们介绍了一个数学模型的电动机动力学，解释这种行为的基础上的一般假设，定子的步进率取决于由定子施加在转子上的转矩。我们发现，电机动力学可以用两个时间尺度来表征：转子的机械旋转的移动时间间隔和定子的化学转变所确定的等待时间间隔。我们发现，这两个时间尺度依赖于不同的负载，并且它们的交叉提供了微观解释实验观察到的扭矩-速度曲线中存在的两个制度。我们还分析了速度波动的单个电机使用我们的模型。我们表明，运动是平滑的，有更多的定子单元。然而，用于这种波动减小的机制取决于负载而不同。我们预测，速度波动是由每转的步数仅在低负载和高负载的外部噪声控制。我们的模型可以推广到研究其他分子马达系统的多个发电单元。
2009-01-07 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
Elastohydrodynamic synchronization of rotating bacterial flagella
为了连续旋转而不被卡住，细菌的鞭毛丝需要被锁定在相位上。虽然已经提出了几种真核生物鞭毛的模型，但细菌鞭毛的同步化还不太清楚。从一个简化的柔性和流体动力学耦合的细菌鞭毛模型出发，我们严格粗粒的运动方程，使用多尺度的方法，从而表明，细菌鞭毛一般同步到零相位差通过弹性流体动力学机制。值得注意的是，同步的远场速率在弹性顺应性的中间值处最大化，对细菌具有令人惊讶的影响。
2022-03-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Bacteria exploit torque-induced buckling instability for flagellar wrapping
本研究通过实验、数值模拟和标度理论，揭示了细菌利用马达扭矩诱导的鞭毛屈曲失稳实现缠绕运动的物理机制，并证明该机制对共生与感染至关重要。
2025-04-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Effects of Stator Compliance, Backs Steps, Temperature, and Clockwise Rotation on the Torque-Speed Curve of Bacterial Flagellar Motor
单个细菌鞭毛马达的旋转由拴在细胞壁上的多个定子提供动力。在一个“动力冲程”模型中，观察到的速度在低负载下对定子数量的独立性是由独立于定子系留弹簧强度的扭矩相关步进机构来解释的。另一方面，在仅依赖于定子弹簧来解释观察到的行为的模型中，需要极小的定子弹簧常数。为了研究由外力驱动的电动机的动力学（例如由光镊施加的那些），当定子被驱动远离平衡时，引入反步。我们的模型与back-stepping再现所观察到的没有障碍向后旋转，以及在高速负扭矩制度的行为。最近测量的零负载附近的电机速度的温度依赖性（Yuan & Berg 2010 Biophys J）通过我们的模型中的热激活步进速率定量地解释。最后，我们建议，一般的机械性能的所有分子马达（线性和旋转），其特征在于他们的力（扭矩）-速度曲线，可以确定由他们的功率冲程潜力和步进率的依赖性的机械状态的电机（力或速度）。最近首次观察到顺时针旋转鞭毛马达的扭矩-速度曲线（Yuan et al. 2010 PNAS）。它的准线性行为是定量再现我们的模型。特别是，我们表明，凹凸形状的扭矩-速度曲线可以通过改变相互作用的潜力，从线性二次形式。我们还表明，扭转步进率对力（扭矩）的依赖性可能会导致非单调性的速度-负载依赖性。
2010-08-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Ultrasensitivity without conformational spread: A mechanical origin for non-equilibrium cooperativity in the bacterial flagellar motor
Center for Computational Biology, Flatiron Institute（计算生物学中心，平顿研究所）；IBM Thomas J. Watson Research Center（IBM托马斯·J·沃森研究中心）
研究揭示细菌鞭毛马达的超敏性源于机械耦合而非构象扩展，提出非平衡协同机制，通过局部机械扭矩产生协同响应，实验支持该机制的预测。
2025-02-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Contact-Dependent Ion Gating Explains Directional Asymmetry in the Bacterial Flagellar Motor
Tsinghua University（清华大学）；Flatiron Institute（平顿研究所）
研究通过建立随机机械化学模型，揭示鞭毛马达在顺时针和逆时针旋转中的不对称性源于离子释放速率的差异，而非转子-定子机械差异。
2026-07-16 physics.bio-ph q-bio.BM
Signature of (anti)cooperativity in the stochastic fluctuations of small systems: application to the bacterial flagellar motor
本文通过一维晶格气体的巨正则哈密顿量模型研究小系统吸附中的协同性，并将其应用于大肠杆菌鞭毛马达，发现协同性控制定子单元的动态组装，且系统处于兼顾平滑适应与低涨落的最佳参数区域。
2024-02-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Bacterial Motility Enhances Adhesion to Oil Droplets
细菌在液-液界面上的粘附可以在分散烃的生物降解以及生物化学和生物过程工程中发挥作用。而热力学因素支撑的粘附得到了很好的研究，细菌活性对adhesion.here的作用探索较少，我们表明，细菌的运动性增强粘附表面修饰的油滴分散在人工海水。与不活动的盐单胞菌相比，活动的盐单胞菌Titanicae粘附于用二辛基磺基琥珀酸钠（DOSS）稳定的十六烷液滴更快且表面密度更大。titanicae，其鞭毛运动通过添加质子解偶联剂而被阻止。增加DOSS的浓度降低了表面密度的运动和nonmotile细菌作为一个结果，降低界面张力。
2020-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Comparative hydrodynamics of bacterial polymorphism
大多数细菌通过旋转的螺旋鞭毛在液体中游动，螺旋鞭毛可以呈现十二种不同的多态形状之一。最常见的螺旋波形是“正常”形式，用于向前游泳。为了阐明正常形式在运动中的流行，我们收集了各种多态形式的所有可用的实验测量值，并计算其固有的流体动力学效率。正常的螺旋形式被发现是最水动力学有效的12个多态形式的一个显着的利润率-一个结论有效的peritrichous和极性鞭毛家庭，和强大的有效鞭毛直径或长度的变化。正常多晶型的流体动力学最优性表明，虽然运动的能量成本很小的细菌，流体机械力可能发挥了重要作用的鞭毛的进化。
2011-01-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Helical trajectories of swimming cells with a flexible flagellar hook
细菌鞭毛钩的柔性被认为对微生物运动具有实质性影响。使用一个简化的模型的刚性鞭毛和一个灵活的钩，我们表明，由一个单一的鞭毛在斯托克斯流驱动的轴对称细胞体的路径是一般螺旋。相位平均的阻力和流动性张量的鞭毛流体动力学描述，和一个螺旋杆模型，它保留了平移和旋转之间的耦合被确定为一个杰出的渐近极限。一个超临界的霍普夫分叉的鞭毛方向超过一个临界比率的鞭毛电机扭矩钩弯曲刚度，这是由自发弯曲的柔性钩，细胞体的形状，和鞭毛的几何形状，可以有一个戏剧性的影响细胞的轨迹通过流体。虽然平衡钩角可以导致在轨迹的螺距的变化很大，我们发现一个非常一致的预测轨迹的螺旋振幅使用相关的参数游泳铜绿假单胞菌细胞。
2021-09-03 physics.bio-ph physics.flu-dyn q-bio.CB
Stochastic motility energetics reveals cooperative bacterial swarming in optical tweezers
该研究结合光镊、多粒子追踪与随机热力学框架，表征受限奇异变形杆菌集群的主动运动特性，量化其群游协作的做功与能量耗散，为微生物协作物理原理提供新见解。
2025-06-17 physics.bio-ph
Dynamics of a bacterial flagellum under reverse rotation
启动E的翻滚。在大肠杆菌中，其中一个螺旋鞭毛反转其旋转方向。然后，它从其正常形式首先转变为瞬态半油态，随后转变为卷曲-I态。多态性的动态有效地模拟鞭毛弹性通过扩展基尔霍夫自由能。然而，由于多晶型物的基态能量未知，因此自由能的完整情况仍未确定。我们研究这些基态能量的变化如何影响一个游泳细菌的旋转鞭毛的动态。我们发现，鞭毛表现出一些不同的动力学状态，并全面总结他们的状态图。因此，我们得出结论，单独调整扩展基尔霍夫自由能的景观不能产生中间全长半卷曲状态。然而，我们的模型提出了一个特设的方法来实现一个真正的细菌观察到的多态性状态的序列。由于细菌鞭毛的弹性特性是相似的，我们的研究结果可以很容易地扩展到其他围毛细菌。
2016-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Helical micropumps near surfaces
最近的实验提出使用封闭的细菌，以便在表面附近产生流动。我们开发了一个数学和计算模型，这种流体输送使用的基本流奇点的线性叠加。螺旋状细菌鞭毛的旋转在周围的流体上引起力和扭矩，这两者都导致沿着表面的净流动。结合流通常与鞭毛丝的轴成一定角度。因此，当细菌相对于想要移动流体的方向倾斜时，实现了最佳泵送，与实验结果非常一致。我们进一步研究了最佳的螺旋形状被用作表面附近的微泵，并表明细菌鞭毛是接近最佳的，这可能是相关的细菌群的扩张的结果。
2018-02-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamic stiffening of the flagellar hook
许多细菌通过一个或多个旋转的刚性螺旋鞭毛运动，使它们成为唯一已知的使用旋转作为推进手段的生物体。这种旋转是由细菌鞭毛马达提供的，这是一种特别强大的旋转分子机器。在每个鞭毛的基部是钩，这是一种软螺旋聚合物，其充当万向接头，将刚性跨膜转子的旋转耦合到刚性细胞外鞭毛的旋转。在多鞭毛细菌物种中，其中推力由流体动力学协调的鞭毛束提供，钩的柔性是特别关键的，因为束内的许多鞭毛从它们的马达显著地离轴旋转。但是，因此，由单个旋转鞭毛产生的推力对钩施加了显著的弯曲力矩。因此，钩需要同时提供离轴束形成所需的柔度和承受游泳的大流体动力所需的刚度。为了阐明钩子如何实现这一双重功能，需要测量动态条件下单个钩子的机械行为。在这里，通过新的高分辨率测量和一种新的分析钩波动在体内电机旋转珠测定，我们解决了单钩的弹性响应下增加扭转应力，揭示了一个明确的动态增加，其弯曲刚度。因此，钩的持续长度随着所施加的扭矩增加超过一个数量级。这种应变硬化允许系统在需要时是柔性的，但在高负荷下减少变形，从而允许高速的细胞运动。
2021-06-29 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
Synchronization of two bacterial flagella as a stochastic process
本文以细菌鞭毛同步化模型为例，发展了一种近似方法，将相位差和热耗散的时间演化描述为随机过程，并通过数值模拟验证了分析结果，以理解含噪声同步过程的能量学。
2025-03-27 nlin.AO physics.bio-ph
Giant enhancement of bacterial upstream swimming in macromolecular flows
研究结合显微镜与数值模拟发现，大分子流体的粘弹性和剪切稀化粘度特性使细菌在固体表面附近的逆流游动能力较牛顿流体增强约一个数量级，剪切速率极限达65 s^-1。
2024-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Orbiting of bacteria around micrometer-sized particles entrapping shallow tents of fluids
流体动力学和限制控制固体或空气-水边界附近的细菌移动性，导致鞭毛细菌以圆形轨迹移动。这种现象是由于细菌体和鞭毛之间的反向旋转以及由于它们靠近边界而在相反方向上对它们的侧向拖曳造成的。已经开发了许多实验技术来限制和操纵运动细菌。在这里，我们报告的观察大肠杆菌和肠杆菌属。当他们被限制在一层薄薄的水周围分散的微米大小的颗粒洒在半固体琼脂凝胶。在这种情况下，有鞭毛的细菌围绕着分散的粒子运行，类似于行星系统。液体层的形状像一个浅帐篷，其中心高度由种子颗粒设定，弯月面轮廓由水的强表面张力设定。帐篷形的约束和鞭毛丝的左手性导致完全顺时针的圆形轨迹。由于蒸发和从琼脂中泵出的增强流体之间的平衡，薄流体层是有弹性的。后者由弯曲弯月面引起的拉普拉斯压力驱动。这种将细菌捕获在最小体积的流体内的新机制与近表面细菌积累、粘附、生物膜生长、生物微装置的发展和清洁卫生有关。
2018-10-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Elastohydrodynamics of swimming helices: effects of flexibility and confinement
出于通过多孔介质的细菌运输，在这里，我们研究了游泳的驱动，灵活的螺旋丝在三维自由空间和圆柱形管内，其直径远小于螺旋的长度。在休息时，细丝具有模仿典型细菌鞭毛束几何形状的天然螺旋形状。有限长度的细丝是自由泳者，并且由施加的扭矩以及表示虚拟细胞体的反扭矩（强度相等且方向相反）驱动。我们使用一个正规化的Stokeslet框架来检查响应于驱动的柔性细丝的形状变化以及作为表征弹性流体动力学系统的无量纲精子数的函数的游泳性能。我们还表明，修改后的精子数可以定义为表征管内的游泳进展。最后，我们证明了一个螺旋丝的轴是不与管轴对齐可以表现出定心行为在最后的管。
2018-11-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Oscillatory surface rheotaxis of swimming E. coli bacteria
生物导管、导管或水资源的细菌污染是对公共卫生的一个主要威胁，并且可以通过细菌逆流而上的能力而扩大。这种趋流性的机制，相对于流动梯度的重新定向，往往在复杂和封闭的环境中，仍然知之甚少。在这里，我们跟随个体E。大肠杆菌细菌游泳在剪切流下的表面与两个互补的实验测定，基于三维拉格朗日跟踪和荧光鞭毛标记，我们开发了一个理论模型，他们的趋流运动。随着剪切速率的增加，确定了三个转变：高于第一临界剪切速率，细菌转向上游游泳。第二个阈值后，我们报告发现的振荡趋流性。在第三次转变之后，我们进一步观察到沿正涡度方向和负涡度方向的趋流性共存。一个完整的理论分析解释了这些制度，并预测相应的临界剪切速率。预测的跃迁以及振荡动力学与实验观察结果非常一致。我们的研究结果揭示了细菌运输的新情况，并揭示了污染预防的新策略。
2018-11-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Soil-mimicking microfluidic devices reveal restricted flagellar motility of Bradyrhizobium diazoefficiens under microconfinement
本研究制备模拟土壤孔隙的微流控芯片土壤装置，发现微限制条件下慢生根瘤菌运动速度降低、转向增加，野生型的无限制游动优势在窄通道中消失，构建的模型可复现其动力学并可扩展，为土壤细菌研究提供新方法。
2025-03-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Immobility of isolated swarmer cells due to local liquid depletion
针对细菌群游中孤立细胞不移动而细胞簇可移动的现象，本研究揭示低局部细胞密度下孤立细胞暂时无法移动与局部液体耗尽及鞭毛束散开相关，指出忽略流体动力学效应的干模型不足以描述群游细菌。
2024-11-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Steady state running rate sets the speed and accuracy of accumulation of swimming bacterial populations
我们研究了一群遗传上相同的游泳细菌的趋化性，这些细菌经历由鞭毛旋转系统的顺时针和逆时针旋转之间的随机切换驱动的运行和翻滚动力学。定量地理解趋化性需要将趋化剂/排斥剂梯度中的旋转系统的切换速率与细菌种群在梯度上向上/向下移动的效率的实验测量相联系。在这里，我们通过使用概率模型来实现这一点，并表明种群对梯度的响应是复杂的。我们发现表型的变化（在没有梯度的情况下的稳态转换率）影响响应的平均速度以及分布的宽度，必须考虑到这两个因素来优化复杂环境中群体的整体响应。这是由于分布的“尾部”中的个体的行为。因此，我们表明，对于趋化性，非典型个体的行为可以对种群的适应性产生重大影响。
2020-07-16 physics.bio-ph q-bio.CB
Application of Coarse Integration to Bacterial Chemotaxis
我们已经开发并实现了一类随机问题的数值演化方案，其中的时间演化发生在广泛分离的时间尺度上，并且对于这种缓慢的演化可以用底层概率分布的少量矩来描述。我们证明了这种方法通过数值模拟的趋化性在人口的能动性，独立的细菌游泳在规定的梯度的化学引诱物。微观随机模型，这是模拟使用蒙特卡罗方法，使用一个简化的确定性模型的激励/适应信号转导，耦合到一个现实的，随机描述的鞭毛电机。我们表明，投影时间积分的“粗”变量可以进行时间尺度长相比，微观动力学。我们的粗略描述是基于空间细胞密度分布。因此，我们假设系统在这个变量上“关闭”，以便它可以在长时间尺度上仅通过空间细胞密度来描述。在计算上的变量是表示在几个基函数的密度分布的组件，给出了从一个样本的Monte Carlo时间演化的系统中获得的空间密度分布的奇异向量。我们提出的数值结果和误差分析，支持这种时间积分方案的功效。
2003-08-10 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.CB
