Chirality-induced bacterial rheotaxis in bulk shear flows

机械 鞭毛 缩放比例 手性(物理) 剪切(地质) 运动学 剪切流 物理 经典力学 统计物理学 生物系统 地质学 几何学 细菌 数学 生物 量子力学 手征对称破缺 Nambu–Jona Lasinio模型 古生物学 夸克 岩石学
作者
Guangyin Jing,Andreas Zöttl,Eric Clément,Anke Lindner
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:6 (28) 被引量:17
标识
DOI:10.1126/sciadv.abb2012
摘要

Interaction of swimming bacteria with flows controls their ability to explore complex environments, crucial to many societal and environmental challenges and relevant for microfluidic applications such as cell sorting. Combining experimental, numerical, and theoretical analysis, we present a comprehensive study of the transport of motile bacteria in shear flows. Experimentally, we obtain with high accuracy and, for a large range of flow rates, the spatially resolved velocity and orientation distributions. They are in excellent agreement with the simulations of a kinematic model accounting for stochastic and microhydrodynamic properties and, in particular, the flagella chirality. Theoretical analysis reveals the scaling laws behind the average rheotactic velocity at moderate shear rates using a chirality parameter and explains the reorientation dynamics leading to saturation at large shear rates from the marginal stability of a fixed point. Our findings constitute a full understanding of the physical mechanisms and relevant parameters of bacteria bulk rheotaxis.
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