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
Adaptation and Optimal Chemotactic Strategy for E. Coli
在Berg和Purcell关于细菌趋化性的生物物理学经典著作的基础上，我们找到了围毛菌E.大肠杆菌在高、低信噪比范围内。最佳策略取决于环境的特性和单个细菌的特性，因此具有高度适应性。我们回顾相关的实验测试的形式所提出的策略和它的适应性，并提出扩展他们可以测试在这个最简单的感觉处理系统的适应性的限制。
1997-06-16 adap-org cond-mat.soft nlin.AO
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
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 connection between bacterial chemotactic network and optimal filtering
大肠杆菌的趋化网络已经在生物药理学和信息理论上得到了广泛的研究。然而，这两个方面之间的联系仍然难以捉摸。在这项工作中，我们报告这样的连接表明，一个标准的生化模型的趋化网络在数学上相当于一个信息理论上的最佳过滤动力学。此外，我们证明了实验观察到的非线性响应关系可以从最佳动态再现。这些结果表明，E.大肠杆菌趋化性被设计为在噪声条件下最佳地提取梯度信息。
2020-05-27 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Stiff-response-induced instability for chemotactic bacteria and flux-limited Keller-Segel equation
趋化性细菌如E.在个人层面上，Coli依赖于通过奔跑和翻滚不断地重新定位。它已被确立，运行的长度是由一个僵硬的响应的时间sensingof化学cues along the pathway.We描述了一种新的机制，图案形成源于趋化反应的刚度依赖于动力学趋化模型，其中包括最近发现的形式主义的细菌趋化性。本文证明了在空间速度空间中的非微观描述和近年来引起广泛关注的宏观方程--通量限制的Keller-Segel方程的不稳定性，其显著性质是不稳定频率保持有界，这与Turing不稳定性的情况相同.基于强大的蒙特卡罗方法的数值计算表明，在实际的参数范围内，粒子数密度的平稳均匀态是不稳定的，并且产生周期性的图案。这些理论的发展与一些生物学观察结果是一致的。
2018-01-15 math.AP nlin.AO 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
