Utilizando Stokeslets regularizados calibrados experimentalmente para evaluar la motilidad flagelar bacteriana cerca de una superficie
Autores: Shindell, Orrin; Nguyen, Hoa; Coltharp, Nicholas; Healy, Frank; Rodenborn, Bruce
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Utilizando Stokeslets regularizados calibrados experimentalmente para evaluar la motilidad flagelar bacteriana cerca de una superficie
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Presencia
Límite
Bacterias
Simulaciones
Experimentos
Natación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La presencia de un límite cercano es probablemente importante en el ciclo de vida y la evolución de las bacterias flageladas móviles. Esto ha llevado a muchos autores a emplear simulaciones numéricas para modelar el movimiento bacteriano cerca de la superficie y calcular los efectos de límite hidrodinámico. Una elección común ha sido el método de imágenes para Stokeslets regularizados (MIRS); sin embargo, el método requiere tamaños de discretización y parámetros de regularización que no están especificados por ninguna teoría. Para determinar parámetros de regularización apropiados para elecciones de discretización dadas en MIRS, realizamos experimentos macroscópicos dinámicamente similares y ajustamos las simulaciones a los datos. En los experimentos, medimos el par en cilindros y hélices de diferentes longitudes de onda mientras rotaban en un fluido viscoso a varias distancias de un límite. Encontramos que las diferencias entre los experimentos y las simulaciones optimizadas eran menores al 5% al usar discretizaciones de superficie para cilindros y discretizaciones de línea central para hélices. Habiendo determinado parámetros de regularización óptimos, utilizamos MIRS para simular una bacteria idealizada de natación libre construida con un cuerpo celular cilíndrico y un flagelo helicoidal moviéndose cerca de un límite. Evaluamos el rendimiento de natación de muchas morfologías bacterianas calculando la velocidad de natación, la tasa de rotación del motor, la eficiencia propulsiva de Purcell, el costo energético por distancia de natación y un nuevo costo energético metabólico definido como el costo energético por masa corporal por distancia de natación. Las cinco medidas predijeron que la longitud de onda flagelar óptima es ocho veces el radio helicoidal independientemente del tamaño del cuerpo y la proximidad a la superficie. Aunque las medidas no coincidieron en el tamaño corporal óptimo, todas predijeron que el tamaño corporal es un factor importante en el costo energético de la motilidad bacteriana cerca y lejos de una superficie.
Descripción
La presencia de un límite cercano es probablemente importante en el ciclo de vida y la evolución de las bacterias flageladas móviles. Esto ha llevado a muchos autores a emplear simulaciones numéricas para modelar el movimiento bacteriano cerca de la superficie y calcular los efectos de límite hidrodinámico. Una elección común ha sido el método de imágenes para Stokeslets regularizados (MIRS); sin embargo, el método requiere tamaños de discretización y parámetros de regularización que no están especificados por ninguna teoría. Para determinar parámetros de regularización apropiados para elecciones de discretización dadas en MIRS, realizamos experimentos macroscópicos dinámicamente similares y ajustamos las simulaciones a los datos. En los experimentos, medimos el par en cilindros y hélices de diferentes longitudes de onda mientras rotaban en un fluido viscoso a varias distancias de un límite. Encontramos que las diferencias entre los experimentos y las simulaciones optimizadas eran menores al 5% al usar discretizaciones de superficie para cilindros y discretizaciones de línea central para hélices. Habiendo determinado parámetros de regularización óptimos, utilizamos MIRS para simular una bacteria idealizada de natación libre construida con un cuerpo celular cilíndrico y un flagelo helicoidal moviéndose cerca de un límite. Evaluamos el rendimiento de natación de muchas morfologías bacterianas calculando la velocidad de natación, la tasa de rotación del motor, la eficiencia propulsiva de Purcell, el costo energético por distancia de natación y un nuevo costo energético metabólico definido como el costo energético por masa corporal por distancia de natación. Las cinco medidas predijeron que la longitud de onda flagelar óptima es ocho veces el radio helicoidal independientemente del tamaño del cuerpo y la proximidad a la superficie. Aunque las medidas no coincidieron en el tamaño corporal óptimo, todas predijeron que el tamaño corporal es un factor importante en el costo energético de la motilidad bacteriana cerca y lejos de una superficie.