Stochastic motility energetics reveals cooperative bacterial swarming in optical tweezers

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Abstract

El movimiento en manada flagelar bacteriana permite a poblaciones microbianas densas migrar colectivamente sobre superficies, dando lugar frecuentemente a comportamientos emergentes y coordinados. No obstante, explorar la termodinámica subyacente del swarming (movimiento en manada) en el nivel de un solo clúster sigue siendo un reto. Aquí combinamos pinzas ópticas y seguimiento multipartícula dentro de un marco estocástico termodinámico para caracterizar la motilidad activa de conglomerados confinados de Proteus mirabilis. Utilizando el método del momento fotónico para medir directamente las fuerzas de atrapamiento, demostramos que los clústeres en swarming generan flujos persistentes y disipativos indicativos de una motilidad estacionaria fuera del equilibrio dentro de estructuras mesoscópicas solenoidales confinadas. Estas dinámicas rotacionales flagelares rompen el balance detallado en el espacio de fuerzas a escala mesoscópica y superan los límites de la fricción pasiva, como lo evidencian las correlaciones fuerza-velocidad y circulaciones tipo vórtice. Mediante un proceso de suavizado a granel (coarse-graining) de trayectorias grupales en un espacio fase activo browniano, cuantificamos el trabajo realizado por los swarms bacterianos acoplados cooperativamente a fluctuaciones térmicas, dando lugar a corrientes disipativas tipo óhmicas que superan la fuerza de atracción conservadora. Nuestros hallazgos establecen un enfoque generalizable para cuantificar la motilidad colectiva y la disipación energética en clústeres bacterianos activos bajo confinamiento, ofreciendo perspectivas sobre los principios físicos que gobiernan la cooperatividad microbiana. [Traducción automática al español; idioma original: inglés.]