Escherichia coli chemotaxis is information limited.
Escherichia coli chemotaxis is information limited.
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DOI：
10.1038/s41567-021-01380-3
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发表时间：
2021-12
期刊：
影响因子：
19.6
通讯作者：
Emonet T
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Mattingly HH;Kamino K;Machta BB;Emonet T
生物从环境中获取并利用信息来指导其行为。然而，尚不清楚这些信息是否在数量上限制了他们的行为表现。在这里，我们将信息与大肠杆菌在化学梯度上导航的能力联系起来，这种行为被称为趋化性。首先，我们推导出一个理论极限的速度与细胞爬梯度，给定的速率，他们获得信息。接下来，我们通过细胞的趋化性信号通路测量细胞的梯度爬升速度和信息获取速率。我们发现E.大肠杆菌做出行为决定所需的时间远远少于确定它们是否在向梯度上游泳所需的时间。这些信息中的一些与梯度攀爬无关，一些在与行为的沟通中丢失。尽管有这些限制，E。大肠杆菌以理论界限的两倍内的速度爬升梯度。因此，信息可以限制生物体的表现，而感觉运动通路可能已经进化到有效地使用从环境中获得的信息。
Organisms acquire and use information from their environment to guide their behaviour. However, it is unclear whether this information quantitatively limits their behavioural performance. Here, we relate information to the ability of Escherichia coli to navigate up chemical gradients, the behaviour known as chemotaxis. First, we derive a theoretical limit on the speed with which cells climb gradients, given the rate at which they acquire information. Next, we measure cells’ gradient-climbing speeds and the rate of information acquisition by their chemotaxis signaling pathway. We find that E. coli make behavioural decisions with much less than the one bit required to determine whether they are swimming up-gradient. Some of this information is irrelevant to gradient climbing, and some is lost in communication to behaviour. Despite these limitations, E. coli climb gradients at speeds within a factor of two of the theoretical bound. Thus, information can limit the performance of an organism, and sensory-motor pathways may have evolved to efficiently use information acquired from the environment.
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