Bacteria use intercellular signaling, or quorum sensing (QS), to share information and respond collectively to aspects of their surroundings. The autoinducers that carry this information are exposed to the external environment; consequently, they are affected by factors such as removal through fluid flow, a ubiquitous feature of bacterial habitats ranging from the gut and lungs to lakes and oceans. To understand how QS genetic architectures in cells promote appropriate population-level phenotypes throughout the bacterial life cycle requires knowledge of how these architectures determine the QS response in realistic spatiotemporally varying flow conditions. Here, we develop and apply a general theory that identifies and quantifies the conditions required for QS activation in fluid flow by systematically linking cell- and population-level genetic and physical processes. We predict that, when a subset of the population meets these conditions, cell-level positive feedback promotes a robust collective response by overcoming flow-induced autoinducer concentration gradients. By accounting for a dynamic flow in our theory, we predict that positive feedback in cells acts as a low-pass filter at the population level in oscillatory flow, allowing a population to respond only to changes in flow that occur over slow enough timescales. Our theory is readily extendable, and provides a framework for assessing the functional roles of diverse QS network architectures in realistic flow conditions.

中文翻译：

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流体中细菌群体​​感应的新兴鲁棒性

细菌使用细胞间信号或群体感应（QS）来共享信息并共同对其周围环境做出反应。携带这些信息的自动感应器暴露在外部环境中。因此，它们受到多种因素的影响，例如通过流体流的清除，细菌的栖息地普遍存在，从肠道，肺部到湖泊和海洋，无所不包。要了解细胞中QS遗传结构如何在整个细菌生命周期中促进适当的种群水平表型，需要了解这些结构如何在现实的时空变化的流动条件下确定QS反应的知识。这里，我们开发并应用了一般理论，该理论通过系统地联系细胞和群体水平的遗传和物理过程来识别和量化流体流动中QS激活所需的条件。我们预测，当一部分人口满足这些条件时，细胞水平的正反馈将克服流动诱导的自诱导物浓度梯度，从而促进强大的集体反应。通过考虑我们理论中的动态流动，我们预测细胞的正反馈在振荡流动的总体水平上充当低通滤波器，从而使总体仅响应在足够慢的时间范围内发生的流量变化。我们的理论易于扩展，并提供了一个框架，用于评估实际流量条件下各种QS网络体系结构的功能角色。我们预测，当一部分人口满足这些条件时，细胞水平的正反馈将克服流动诱导的自诱导物浓度梯度，从而促进强大的集体反应。通过考虑我们理论中的动态流动，我们预测细胞的正反馈在振荡流动的总体水平上充当低通滤波器，从而使总体仅响应在足够慢的时间范围内发生的流量变化。我们的理论易于扩展，并提供了一个框架，用于评估实际流量条件下各种QS网络体系结构的功能角色。我们预测，当一部分人口满足这些条件时，细胞水平的正反馈将克服流动诱导的自诱导物浓度梯度，从而促进强大的集体反应。通过考虑我们理论中的动态流动，我们预测细胞的正反馈在振荡流动的总体水平上充当低通滤波器，从而使总体仅响应在足够慢的时间范围内发生的流量变化。我们的理论易于扩展，并提供了一个框架，用于评估实际流量条件下各种QS网络体系结构的功能角色。通过考虑我们理论中的动态流动，我们预测细胞的正反馈在振荡流动的总体水平上充当低通滤波器，从而使总体仅响应在足够慢的时间范围内发生的流量变化。我们的理论易于扩展，并提供了一个框架，用于评估实际流量条件下各种QS网络体系结构的功能角色。通过考虑我们理论中的动态流动，我们预测细胞的正反馈在振荡流动的总体水平上充当低通滤波器，从而使总体仅响应在足够慢的时间范围内发生的流量变化。我们的理论易于扩展，并提供了一个框架，用于评估实际流量条件下各种QS网络体系结构的功能角色。