Modeling Collective Bacterial Behavior based on inelastic collisions

G. FIER; D. HANSMANN; R. C. BUCETA

Bariloche

Congreso; TREFEMAC 2016 - 14° Congreso Regional de Física Estadística y Aplicaciones a la Materia Condensada; 2016

CAB - Instituto Balseiro

La motilidad individual y colectiva de Escherichia coli ha sido de intenso estudio durante las últimas décadas. El comportamiento individual donde las bacterias nadan siguiendo secuencias de tumbos y corridas es conocido como "Run and Tumble" [1]. Los mecanismos biológicos que se encuentran detrás del comportamiento de "Run and Tumble" están extensamente caracterizados [2]. Sin embargo, no se ha podido verificar que en el comportamiento colectivo las bacterias utilizan los mismos mecanismos. Diversos trabajos experimentales muestran que E.coli utiliza la misma maquinaria biológica para auto-propulsarse independientemente de la densidad [3], resultando probable la existencia de "Run and Tumble" a altas densidades. El movimiento colectivo de E.coli está gobernado por las colisiones de las bacterias [4]. Como las frecuencias de las corridas y tumbos son significativamente mayores que las frecuencias de las colisiones, esto prohíbe determinar si el comportamiento individual de "Run and Tumble" es enmascarado por las colisiones o E.coli modifica su comportamiento individual en altas densidades. En este trabajo utilizamos, bajo la descripción Newtoniana, agentes auto-propulsados, rígidos y elípticos que simulan el comportamiento "Run and Tumble" de E.coli. Aumentando la densidad y fuerza de los agentes simulamos el comportamiento colectivo de E.coli reproduciendo los observables medidos en [4]. Referencias:  [1] Berg, H. C., and D. A. Brown. 1972. Chemotaxis in Escherichia coli analysed by three-dimensional tracking. Nature (London) 239: 500-504; [2] Wadhams GH, Armitage JP (2004) Making sense of it all: Bacterial chemotaxis. Nat Rev Mol Cell Biol. 5: 1024-1037;  [3] Burkart, M., Toguchi, A., and Harshey, R.M. (1998) The chemotaxis system, but not chemotaxis, is essential for swarming motility in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 95: 2568-2573; [4] Dynamics of Bacterial Swarming, Nicholas C. Darnton, Linda Turner, Svetlana Rojevsky, Howard Berg, Biophysical J. 98 (2012) 2082-2090.