Universität zu Köln

Zhang, Bohan ORCID: 0009-0008-8277-2800 (2025). Hydrodynamic Modelling of Swimming Bacteria at Surfaces and in Thin Film. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Microorganisms are unique on Earth. They employ self-propulsion to explore the en- vironment and seek nutrition. Their space exploration behavior is often considered to be hydrodynamically mediated and occurs in a regime with negligible inertial ef- fect. One of the well-studied bacteria is E. Coli which has a motility pattern called "run and tumble". E. Coli is observed to swim straight for some time (run) with rapid reorientations (tumble). E. Coli-like microswimmers can be modeled as active particles. Systems consisting of active particles are out of equilibrium, and they are common in collective phenomena such as active turbulence, motility-induced phase separation (MIPS), and swarming. Swarming is a typical phenomenon for bacteria, which can form large aggregates and migrate collectively. Swarming serves as the key to understanding physical mechanisms of biofilm formation. Many studies have considered the effects of hy- drodynamic and steric interactions between bacteria on swarming. However, most of them have been limited to small-scale simulations or experiments. We employ a simplified model of microswimmers, the squirmer model, which has been shown to have good precision in modeling for field hydrodynamics. We consider a system of squirmers within a thin film confined between two no-slip walls. The thickness of the thin film allows a free rotation of spheroidal squirmers, but constrains them to have a two-layer structure. We investigate the effect of different parameters on col- lective behavior, including volume fraction, motility types (pusher, puller, or neu- tral squirmers), and the presence of rotlet dipole, which mimics the counter-rotating flow generated by flagellated bacteria. Different structural and dynamic properties are analyzed, characterizing the behavior of the systems into different states, includ- ing gas-like phase, swarming, and motility-induced phase separation. We found that the formation of collective structures is due to an interplay between the anisotropic shape of swimmers, hydrodynamic interactions between swimmers, and the steric interaction of swimmers with the walls. Furthermore, we highlight the influence of the walls on the emergent structure, and show that the differences in collective be- havior for different swimming modes are strongly reduced by the presence of rotlet dipole. In the future, less confined or even semi-open systems to mimic the behavior of bacteria during biofilm growth should be considered. Despite the seeming simplicity of the run-and-tumble behavior, the physical mechanisms underlying are still not fully understood. We establish a detailed run- and-tumble E. Coli model, which is suspended in a fluid simulated by dissipative particle dynamics (DPD). The motility behavior is calibrated by experimental mea- surements. We investigate how different E. Coli properties, including the body and flagella geometry, flagella stiffness and actuation strength, govern the run-and-tumble behavior. The model adequately captures essential physical properties of E. Coli, such as the rotational frequency of the body and flagella, tumbling time, and tum- bling angle, which compare well to available experimental measurements. Further- more, our simulations show that the stiffness of a hook (the short part of a flagellum that connects it directly to the motor) plays a vital role in the run-and-tumble behav- ior, which has also been suggested in some experimental studies. Also, simulations of E. Coli with different numbers of flagella were performed, demonstrating that our model can represent different types of E. Coli. This detailed model helps us better understand E. Coli’s swimming behavior and allows the exploration of E. Coli loco- motion in more complex realistic environments. Furthermore, we study how E. Coli tumbling enables the bacterium to escape. As suggested by Junot et al., 2022, tumbling is the dominant escape mechanism for wild-type E. Coli which is subject to "wall entrapment" effect. We perform simu- lations using the E. Coli model confined between two no-slip walls. We collect a number of instances of successful escapes, and analyze the distribution of escape angles and the number of tumbles before escaping, which compare well with those in Junot et al., 2022. Finally, we conclude that the orientation of E. Coli body after tumbling determines its escape success. The work provides a novel way to inves- tigate in detail the behavior of flagellated swimmers under confinement. Also, it would be interesting to study the collective behavior of many swimmers using this detailed model. This thesis includes the studies of the behavior of single E. Coli-like microswim- mers and their collectives. Studies of the collective behavior of active matter con- tribute to a better understanding of biofilm formation and the origin of different col- lective states. The detailed E. Coli model developed here can be used to explore the bacterial behavior in complex systems, providing a way to characterize the effects of detailed interactions, such as body-flagella and flagella-wall interactions, which are missing in simplified models such as squirmers. Therefore, the use of the detailed model to study the collective behavior of many bacteria bring us much closer to the understanding of the formation of biofilm.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Hydrodynamische Modellierung schwimmender Bakterien auf Oberflächen und in dünnen Filmen German
Translated abstract:	Abstract Language Mikroorganismen sind einzigartig auf der Erde. Sie nutzen ihren eigenen Antrieb, um die Umwelt zu erkunden und Nahrung zu finden. Ihr Verhalten bei der Erkun- dung des Weltraums wird häufig als hydrodynamisch vermittelt angesehen und findet in einem Bereich mit vernachlässigbarem Trägheitseffekt statt. Eines der gut untersuchten Bakterien ist E. Coli, das ein Motilitätsmuster namens "run and tum- ble" aufweist. E. Coli schwimmt eine Zeit lang geradeaus (run), um sich dann schnell umzuorientieren (tumble). E. Coli-ähnliche Mikroschwimmer können als aktive Teilchen modelliert werden. Systeme, die aus aktiven Teilchen bestehen, sind aus dem Gle- ichgewicht geraten und treten häufig in kollektiven Phänomenen wie aktiven Tur- bulenzen, bewegungsinduzierter Phasentrennung (MIPS) und Schwärmen auf. Schwärmen ist ein typisches Phänomen für Bakterien, die große Aggregate bilden und gemeinsam wandern können. Das Schwärmen ist der Schlüssel zum Verständ- nis der physikalischen Mechanismen der Biofilmbildung. Viele Studien haben die Auswirkungen hydrodynamischer und sterischer Wechselwirkungen zwischen Bak- terien auf das Schwärmen untersucht. Die meisten von ihnen beschränken sich je- doch auf Simulationen oder Experimente in kleinem Maßstab. Wir verwenden ein vereinfachtes Modell von Mikroschwimmern, das Squirmer-Modell, das sich bei der Modellierung der Hydrodynamik im Feld als sehr genau erwiesen hat. Wir betrachten ein System von Squirmern in einem dünnen Film, der zwischen zwei rutschfesten Wänden eingeschlossen ist. Die Dicke des dünnen Films erlaubt eine freie Rotation der kugelförmigen Squirmers, zwingt sie aber zu einer zweischichti- gen Struktur. Wir untersuchen die Auswirkung verschiedener Parameter auf das kollektive Verhalten, einschließlich des Volumenanteils, der Motilitätstypen (Pusher, Puller oder neutrale Squirmers) und des Vorhandenseins eines Rotlet-Dipols, der die gegenläufige Strömung nachahmt, die von geißelnden Bakterien erzeugt wird. Es werden verschiedene strukturelle und dynamische Eigenschaften analysiert, die das Verhalten der Systeme in verschiedenen Zuständen charakterisieren, einschließlich der gasähnlichen Phase, des Schwärmens und der bewegungsinduzierten Phasen- trennung. Wir fanden heraus, dass die Bildung kollektiver Strukturen auf ein Zusam- menspiel zwischen der anisotropen Form der Schwimmer, hydrodynamischen Wech- selwirkungen zwischen den Schwimmern und der sterischen Wechselwirkung der Schwimmer mit den Wänden zurückzuführen ist. Darüber hinaus heben wir den Einfluss der Wände auf die entstehende Struktur hervor und zeigen, dass die Unter- schiede im kollektiven Verhalten für verschiedene Schwimmarten durch das Vorhan- densein von Rotlet-Dipolen stark reduziert werden. In Zukunft sollten weniger be- grenzte oder sogar halboffene Systeme in Betracht gezogen werden, um das Verhal- ten von Bakterien während des Biofilmwachstums zu imitieren. Trotz der scheinbaren Einfachheit des Run-and-Tumble-Verhaltens sind die zu- grunde liegenden physikalischen Mechanismen noch immer nicht vollständig ver- standen. Wir erstellen ein detailliertes Run-and-Tumble von E. Coli-Modell, das in einer Flüssigkeit suspendiert ist, die durch dissipative Partikeldynamik (DPD) simuliert wird. Das Motilitätsverhalten wird durch experimentelle Messungen kalib- riert. Wir untersuchen, wie verschiedene E. Coli, einschließlich der Körper- und Geißelgeometrie, der Steifigkeit der Geißel und der Antriebsstärke, das Run-and- Tumble-Verhalten bestimmen. Das Modell erfasst wesentliche physikalische Eigen- schaften von E. Coli, wie z. B. die Rotationsfrequenz des Körpers und der Geißeln, die Taumelzeit und der Taumelwinkel, die sich gut mit den verfügbaren experi- mentellen Messungen vergleichen lassen. Darüber hinaus zeigen unsere Simulatio- nen, dass die Steifigkeit eines Hakens (der kurze Teil einer Geißel, der sie direkt mit dem Motor verbindet) eine entscheidende Rolle für das Run-and-Tumble-Verhalten spielt, was auch in einigen experimentellen Studien vermutet wurde. Auch Simu- lationen von E. Coli mit unterschiedlicher Anzahl von Geißeln durchgeführt, was zeigt, dass unser Modell verschiedene Arten von E. Coli darstellen kann. Dieses detaillierte Modell hilft uns, E. Coli besser zu verstehen und ermöglicht die Er- forschung der Fortbewegung von E. Coli in komplexeren realistischen Umgebungen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie das Taumeln von E. Coli, durch Taumeln die Flucht des Bakteriums ermöglicht. Wie von Junot et al., 2022 vorgeschlagen, ist das Taumeln der dominante Fluchtmechanismus für Wildtyp-E. Coli, der dem "Wall- Entrapment"-Effekt unterliegt. Wir führen Simulationen mit dem E. Coli, das zwis- chen zwei rutschfesten Wänden eingeschlossen ist. Wir sammeln eine Reihe von Beispielen erfolgreicher Fluchten und analysieren die Verteilung der Fluchtwinkel und die Anzahl der Taumel vor der Flucht, die gut mit denen in Junot et al., 2022 ver- gleichbar sind. Schließlich kommen wir zu dem Schluss, dass die Ausrichtung des Körpers von E. Coli-Körpers nach dem Taumeln seinen Fluchterfolg bestimmt. Diese Arbeit bietet eine neue Möglichkeit, das Verhalten von Geißelschwimmern unter Be- grenzung im Detail zu untersuchen. Außerdem wäre es interessant, das kollektive Verhalten vieler Schwimmer mit diesem detaillierten Modell zu untersuchen. Diese Arbeit umfasst die Untersuchung des Verhaltens einzelner E. Coli-ähnlichen Mikroschwimmern und ihrer Kollektive. Studien zum kollektiven Verhalten ak- tiver Materie tragen zu einem besseren Verständnis der Biofilmbildung und des Ursprungs verschiedener kollektiver Zustände bei. Das detaillierte E. Coli-Modell kann zur Erforschung des bakteriellen Verhaltens in komplexen Systemen verwen- det werden, da es eine Möglichkeit bietet, die Auswirkungen detaillierter Wechsel- wirkungen zu charakterisieren, wie z. B. die Wechselwirkungen zwischen Körper und Geißel und Geißel und Wand, die in vereinfachten Modellen wie Squirmers fehlen. Die Verwendung des detaillierten Modells zur Untersuchung des kollek- tiven Verhaltens vieler Bakterien bringt uns daher dem Verständnis der Biofilmbil- dung sehr viel näher. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zhang, Bohan bohanzhang998@gmail.com orcid.org/0009-0008-8277-2800 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-780419
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language E. Coli English Biophysics English Motility of bacteria English simulation English collective motion English active matter English
Date of oral exam:	7 November 2024
Referee:	Name Academic Title Gompper, Gerhard Prof. Dr. Bollenbach, Tobias Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78041