Swimming of multi-flagellated bacteria

Abstract

Many prokaryotes employ rotating helical appendages known as flagella to swim in an aqueous medium. We studied differentially flagellated B. subtilis strains as model systems study the dynamics of swimming bacteria with numerous flagella. We found out that decreasing the number of flagella of individual cells reduces the average turning angle after the tumbling, enhances the run time and directional persistency of the run phase. Consequently, having a few flagella is beneficial for the fast spreading, while having many flagella is advantageous for the processes which require slower spreading. The results of numerical simulations based on the two-state model were used to discuss the search efficiency of different strains. Fluorescence microscopy shows that B. subtilis can make several bundles during the run phase, where the probability distribution of the number of bundles is similar for all strains independent of the flagellar number. The angle between the bundles on the observation plane widens with increasing the number of flagella, which leads to a slight modification of the effective cell aspect ratio while the other bundle properties do not significantly change. The collective motion of dense suspension of bacteria was also investigated to understand how the swimming persistency of individual cells and their geometrical properties can influence characteristic features of the collective behavior. The results show that the characteristic time and length scale of the collective motion are robust to these parameters.

Viele Bakterien nutzen Flagellen - kleine spiralförmige Anhänge - um sich zu bewegen. Beispielsweise können E. coli Bakterien ihre Flagellen synchronisieren und bündeln um aktiv zu schwimmen. Die Auswirkungen der Flagellenanzahl auf die Dynamik der Bakterien ist nicht genau verstanden. Daher haben wir Bakterien der Art B. Subtilis mit verschiedener Anzahl an Flagellen untersucht. Die Verringerung der Flagellenanzahl reduziert den mittleren Änderungswinkel zwischen aufeinanderfolgenden Renn-Phassen und erhöht die Renn-Zeit sowie die Richtungsbeständigkeit. Eine geringe Anzahl von Flagellen ist daher vorteilhaft für Transportprozesse, wohingegen eine hohe Anzahl von Flagellen vorteilhaft für eine langsamere Verteilung wichtig ist (Entstehung von Biofilmen). Wir haben ein Zwei-Zustands Random-Walk Modell entwickelt, welches einen exakten analytischen Ausdruck für die Transporteigenschaften liefert. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen dienten als Grundlage für die Diskussion der Such-Effizienz verschiedener Stämme. Wir konnten beobachten, dass verschiedene Flagellen-Bündel während der Renn-Phase entstehen. Außerdem untersuchten wir die kollektive Bewegung in einer dichten Suspension von Bakterien. Die Ergebnisse zeigen, dass innerhalb der Reichweite unserer experimentellen Parameter die charakteristische Zeit- und Länge-Skalen der kollektiven Bewegung stabil gegenüber Form- und Persistenzänderungen einzelner Bakterien sind.