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奔跑吧!追踪舒适区的细菌们 | PRL 论文推荐

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来源 APS Physics

翻译 严冰

审校 文直男


大肠杆菌在环形跑道中追踪浓度峰值处(舒适区)。左图:溶液顺时针低速流动时,大肠杆菌聚集在舒适区(橙色区域)并且追随舒适区运动;右图:溶液顺时针高速流动时,大肠杆菌逆时针跳跃,反向追踪舒适区。(图片来源:罗春雄/北京大学)


细菌无时无刻不在感测周围的环境,通过化学趋向运动寻找具有最适的居所(舒适区)。那么,如果舒适区一直处于移动之中,细菌会作何反应呢?为了回答这个问题,研究人员为大肠杆菌搭建了一个环形“跑道”,“跑道”中的化学物质由最适合大肠杆菌生存的浓度向不吸引它们的浓度呈梯度分布,并构成一个持续流动的浓度波。研究者们发现,细菌可以追随缓慢移动的浓度波波峰,但是当波速加快,大肠杆菌追不上前进的波峰时,它们将转而跃至反方向的下一个波峰。


北京大学的罗春雄团队与美国IBM沃森研究中心的涂豫海教授合作搭建了这个微流体跑道装置。该装置有4个入口,可以加入不同的化学试剂,从而创造出移动的化学浓度波。大肠杆菌倾向于聚集在浓度峰值处(舒适区),而排斥谷值处。


研究发现,(1)当溶液流动的速度低于 4μm/s 时,大肠杆菌可以很轻松地追随舒适区,这种情况下,细菌聚集在舒适区并且以波速(同向)运动;(2)当波速加大时,细菌很费力才能跟上,研究者们认为这是由于细菌需要一定的时间来感测环境,而在细菌感测并且移动之前,舒适区已经向前移动,所以无法时时跟上;(3)当流速超过 8μm/s 时,细菌重新开始了对舒适区的追踪,但改变了策略:它们通过由一个波峰向后(反向)跃至下一个波峰的方式来追踪舒适区。研究团队认为这个过程与热效应导致的粒子于双势阱之间的跃迁过程相似。这个微流体跑道装置还可以用于研究其他多种不同的环境,使得研究者能够研究细菌在更接近真实的生存环境中的运动情况。


文章来源 http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.118.098101


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论文基本信息


【题目】Barrier Crossing in Escherichia coli Chemotaxis

【作者】Zhaojun Li et al

【期刊】Phys. Rev. Lett

【日期】28 February 2017

【DOI】https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.098101

【摘要】We study cell navigation in spatiotemporally complex environments by developing a microfluidic racetrack device that creates a traveling wave with multiple peaks and a tunable wave speed. We find that while the population-averaged chemotaxis drift speed increases with wave speed for low wave speed, it decreases sharply for high wave speed. This reversed dependence of population-averaged chemotaxis drift speed on wave speed is caused by a “barrier-crossing” phenomenon, where a cell hops backwards from one peak attractant location to the peak behind by crossing an unfavorable (barrier) region with low attractant concentrations. By using a coarse-grained model of chemotaxis, we map bacterial motility in an attractant field to the random motion of an overdamped particle in an effective potential. The observed barrier-crossing phenomenon of living cells and its dependence on the spatiotemporal profile of attractant concentration are explained quantitatively by Kramers reaction rate theory.

【链接】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.098101


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