Statistical fluctuations limit the precision with which a microorganism can, in a given time T, determine the concentration of a chemoattractant in the surrounding medium. The best a cell can do is to monitor continually the state of occupation of receptors distributed over its surface. For nearly optimum performance only a small fraction of the surface need be specifically adsorbing. The probability that a molecule that has collided with the cell will find a receptor is Ns/(Ns + pi a), if N receptors, each with a binding site of radius s, are evenly distributed over a cell of radius a. There is ample room for many indenpendent systems of specific receptors. The adsorption rate for molecules of moderate size cannot be significantly enhanced by motion of the cell or by stirring of the medium by the cell. The least fractional error attainable in the determination of a concentration c is approximately (TcaD) - 1/2, where D is diffusion constant of the attractant. The number of specific receptors needed to attain such precision is about a/s. Data on bacteriophage absorption, bacterial chemotaxis, and chemotaxis in a cellular slime mold are evaluated. The chemotactic sensitivity of Escherichia coli approaches that of the cell of optimum design.

Cells swimming in confined environments are attracted by surfaces. We measure the steady-state distribution of smooth-swimming bacteria (Escherichia coli) between two glass plates. In agreement with earlier studies, we find a strong increase of the cell concentration at the boundaries. We demonstrate theoretically that hydrodynamic interactions of the swimming cells with solid surfaces lead to their reorientation in the direction parallel to the surfaces, as well as their attraction by the closest wall. A model is derived for the steady-state distribution of swimming cells, which compares favorably with our measurements. We exploit our data to estimate the flagellar propulsive force in swimming E. coli.

Bacteria swim by rotating flagellar filaments that are several micrometers long, but only about 20 nm in diameter. The filaments can exist in different polymorphic forms, having distinct values of curvature and twist. Rotation rates are on the order of 100 Hz. In the past, the motion of individual filaments has been visualized by dark-field or differential-interference-contrast microscopy, methods hampered by intense scattering from the cell body or shallow depth of field, respectively. We have found a simple procedure for fluorescently labeling cells and filaments that allows recording their motion in real time with an inexpensive video camera and an ordinary fluorescence microscope with mercury-arc or strobed laser illumination. We report our initial findings with cells of Escherichia coli. Tumbles (events that enable swimming cells to alter course) are remarkably varied. Not every filament on a cell needs to change its direction of rotation: different filaments can change directions at different times, and a tumble can result from the change in direction of only one. Polymorphic transformations tend to occur in the sequence normal, semicoiled, curly 1, with changes in the direction of movement of the cell body correlated with transformations to the semicoiled form.

Type IV pili are thin filaments that extend from the poles of a diverse group of bacteria, enabling them to move at speeds of a few tenths of a micrometer per second. They are required for twitching motility, e.g., in Pseudomonas aeruginosa and Neisseria gonorrhoeae , and for social gliding motility in Myxococcus xanthus . Here we report direct observation of extension and retraction of type IV pili in P. aeruginosa . Cells without flagellar filaments were labeled with an amino-specific Cy3 fluorescent dye and were visualized on a quartz slide by total internal reflection microscopy. When pili were attached to a cell and their distal ends were free, they extended or retracted at rates of about 0.5 μm s −1 (29°C). They also flexed by Brownian motion, exhibiting a persistence length of about 5 μm. Frequently, the distal tip of a filament adsorbed to the substratum and the filament was pulled taut. From the absence of lateral deflections of such filaments, we estimate tensions of at least 10 pN. Occasionally, cell bodies came free and were pulled forward by pilus retraction. Thus, type IV pili are linear actuators that extend, attach at their distal tips, exert substantial force, and retract.

Chemoreceptors in Escherichia coli are coupled to the flagella by a labile phosphorylated intermediate, CheY∼P. Its activity can be inferred from the rotational bias of flagellar motors, but motor response is stochastic and limited to a narrow physiological range. Here we use fluorescence resonance energy transfer to monitor interactions of CheY∼P with its phosphatase, CheZ, that reveal changes in the activity of the receptor kinase, CheA, resulting from the addition of attractants or repellents. Analyses of cheR and/or cheB mutants, defective in receptor methylation/demethylation, show that response sensitivity depends on the activity of CheB and the level of receptor modification. In cheRcheB mutants, the concentration of attractant that generates a half-maximal response is equal to the dissociation constant of the receptor. In wild-type cells, it is 35 times smaller. This amplification, together with the ultrasensitivity of the flagellar motor, explains previous observations of high chemotactic gain.

Responses of tethered cells of Escherichia coli to impulse, step, exponential-ramp or exponentiated sine-wave stimuli are internally consistent, provided that allowance is made for the nonlinear effect of thresholds. This result confirms that wild-type cells exposed to stimuli in the physiological range make short-term temporal comparisons extending 4 sec into the past: the past second is given a positive weighting, the previous 3 sec are given a negative weighting, and the cells respond to the difference. cheRcheB mutants (defective in methylation and demethylation) weight the past second in a manner similar to the wild type, but they do not make short-term temporal comparisons. When exposed to small steps delivered iontophoretically, they fail to adapt over periods of up to 12 sec; when exposed to longer steps in a flow cell, they partially adapt, but with a decay time of greater than 30 sec. cheZ mutants use a weighting that extends at least 40 sec into the past. The gain of the chemotactic system is large: the change in occupancy of one receptor molecule produces a significant response.