奔跑吧！追蹤舒適區的細菌們

來源 APS Physics

翻譯 嚴冰

審校 文直男

大腸桿菌在環形跑道中追蹤濃度峰值處（舒適區）。左圖：溶液順時針低速流動時，大腸桿菌聚集在舒適區（橙色區域）並且追隨舒適區運動；右圖：溶液順時針高速流動時，大腸桿菌逆時針跳躍，反向追蹤舒適區。（圖片來源：羅春雄／北京大學）

細菌無時無刻不在感測周圍的環境，通過化學趨向運動尋找具有最適的居所（舒適區）。那麼，如果舒適區一直處於移動之中，細菌會作何反應呢？為了回答這個問題，研究人員為大腸桿菌搭建了一個環形「跑道」，「跑道」中的化學物質由最適合大腸桿菌生存的濃度向不吸引它們的濃度呈梯度分布，並構成一個持續流動的濃度波。研究者們發現，細菌可以追隨緩慢移動的濃度波波峰，但是當波速加快，大腸桿菌追不上前進的波峰時，它們將轉而躍至反方向的下一個波峰。

北京大學的羅春雄團隊與美國IBM沃森研究中心的塗豫海教授合作搭建了這個微流體跑道裝置。該裝置有4個入口，可以加入不同的化學試劑，從而創造出移動的化學濃度波。大腸桿菌傾向於聚集在濃度峰值處（舒適區），而排斥谷值處。

研究發現，（1）當溶液流動的速度低於 4μm/s 時，大腸桿菌可以很輕鬆地追隨舒適區，這種情況下，細菌聚集在舒適區並且以波速（同向）運動；（2）當波速加大時，細菌很費力才能跟上，研究者們認為這是由於細菌需要一定的時間來感測環境，而在細菌感測並且移動之前，舒適區已經向前移動，所以無法時時跟上；（3）當流速超過 8μm/s 時，細菌重新開始了對舒適區的追蹤，但改變了策略：它們通過由一個波峰向後（反向）躍至下一個波峰的方式來追蹤舒適區。研究團隊認為這個過程與熱效應導致的粒子於雙勢阱之間的躍遷過程相似。這個微流體跑道裝置還可以用於研究其他多種不同的環境，使得研究者能夠研究細菌在更接近真實的生存環境中的運動情況。

文章來源 http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.118.098101

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論文基本信息

【題目】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.

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

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