La nage des bactéries dans les cristaux liquides : comportement individuel et collectif

Bacteria are considered as a model system of active particles in which interactions with each other or with the surrounding medium can lead to non-trivial behavior. Bacterial active motion can for example change the viscosity of bacterial suspensions, but the suspending medium itself can also trigger the emergence of new collective or individual bacterial dynamics. In this context we seek to understand how active matter adapts and deals with geometrical frustration induced by the environment. Interesting spatio-temporal patterns have recently been observed in nematic liquid crystals, where the motion of bacteria is directed by the orientational molecular order of the liquid crystal or director field. In this work, we study the swimming mechanism of a single bacterium, E-coli, that is constrained to move along the director field of a lyotropic chromonic liquid crystal (LCLC). The spontaneous "run and tumble" motion of the bacterium gets frustrated in this constraining medium, where the flagella can only partially unbundle as a result of an elastic interaction with the LCLC. This frustration leads to a reversal motion along the director field, driven by the relocation of a single flagellum on the other side of the bacterium. Finally, we observe that the interaction between multiple bacteria makes them form chains that collectively swim under the action of a "super flagellar bundle" resulting from the self-assembly of the flagella of single bacteria.Les bactéries sont considérées comme un système modèle de particules actives, dont les interactions peuvent mener à des comportements non triviaux. Par exemple, le mouvement des bactéries peuvent changer la viscosité de la suspension, mais dans certains cas le milieu peut également déclencher des dynamiques spéciales, comme les mouvements collectifs. C'est dans ce contexte que nous étudions comment la matière active s'adapte et réagit face à des frustrations et contraintes géométriques générées par l'environnement. Récemment, des motifs spatio-temporels intéressants ont été observés dans les cristaux liquides nématiques, où le mouvement des bactéries est guidé par l'orientation moléculaire du cristal liquide, aussi appelé directeur. Dans la présente thèse, nous étudions la mécanique de nage d'une bactérie E-coli individuelle, qui est contrainte selon le directeur d'un cristal liquide chromonique et lyotrope (LCLC). Le mouvement classique de la bactérie, "run and tumble" est altéré par les contraintes de ce milieu car résultant des interactions élastiques avec le LCLC, la tresse de flagelles ne peut que partiellement se défaire. Ceci amène la bactérie à changer de direction de 180 degrés, contrôlé par un flagelle qui se délocalise du côté opposé de la tresse. Finalement nous avons également observé que l'interaction de plusieurs bactéries conduit à la création spontanée de chaines qui se meuvent, propulsées par une "super tresse" de flagelles, résultant de l'assemblage des flagelles de chaque bactéries dans la chaine

La nage des bactéries dans les cristaux liquides : comportement individuel et collectif

Les bactéries sont considérées comme un système modèle de particules actives, dont les interactions peuvent mener à des comportements non triviaux. Par exemple, le mouvement des bactéries peuvent changer la viscosité de la suspension, mais dans certains cas le milieu peut également déclencher des dynamiques spéciales, comme les mouvements collectifs. C'est dans ce contexte que nous étudions comment la matière active s'adapte et réagit face à des frustrations et contraintes géométriques générées par l'environnement. Récemment, des motifs spatio-temporels intéressants ont été observés dans les cristaux liquides nématiques, où le mouvement des bactéries est guidé par l'orientation moléculaire du cristal liquide, aussi appelé directeur. Dans la présente thèse, nous étudions la mécanique de nage d'une bactérie E-coli individuelle, qui est contrainte selon le directeur d'un cristal liquide chromonique et lyotrope (LCLC). Le mouvement classique de la bactérie, "run and tumble" est altéré par les contraintes de ce milieu car résultant des interactions élastiques avec le LCLC, la tresse de flagelles ne peut que partiellement se défaire. Ceci amène la bactérie à changer de direction de 180 degrés, contrôlé par un flagelle qui se délocalise du côté opposé de la tresse. Finalement nous avons également observé que l'interaction de plusieurs bactéries conduit à la création spontanée de chaines qui se meuvent, propulsées par une "super tresse" de flagelles, résultant de l'assemblage des flagelles de chaque bactéries dans la chaine.Bacteria are considered as a model system of active particles in which interactions with each other or with the surrounding medium can lead to non-trivial behavior. Bacterial active motion can for example change the viscosity of bacterial suspensions, but the suspending medium itself can also trigger the emergence of new collective or individual bacterial dynamics. In this context we seek to understand how active matter adapts and deals with geometrical frustration induced by the environment. Interesting spatio-temporal patterns have recently been observed in nematic liquid crystals, where the motion of bacteria is directed by the orientational molecular order of the liquid crystal or director field. In this work, we study the swimming mechanism of a single bacterium, E-coli, that is constrained to move along the director field of a lyotropic chromonic liquid crystal (LCLC). The spontaneous "run and tumble" motion of the bacterium gets frustrated in this constraining medium, where the flagella can only partially unbundle as a result of an elastic interaction with the LCLC. This frustration leads to a reversal motion along the director field, driven by the relocation of a single flagellum on the other side of the bacterium. Finally, we observe that the interaction between multiple bacteria makes them form chains that collectively swim under the action of a "super flagellar bundle" resulting from the self-assembly of the flagella of single bacteria

Micron-sized double emulsions and nematic shells generated via tip streaming

International audienc

Supplementary information from Frustrated ‘run and tumble’ of swimming Escherichia coli bacteria in nematic liquid crystals

In many situations, bacteria move in complex environments, as soils, oceans or the human gut-track, where carrier fluids show complex structures associated with non-Newtonian rheology. Many fundamental questions concerning the ability to navigate in such environments remain unsolved. Recently, it has been shown that the kinetics of bacterial motion in structured fluids as liquid crystals (LCs) is constrained by the orientational molecular order (or director field) and that novel spatio-temporal patterns arise. A question unaddressed so far is how bacteria change swimming direction in such an environment. In this work, we study the swimming mechanism of a single bacterium, E. coli, constrained to move along the director field of a lyotropic chromonic liquid crystal confined to a planar cell. Here, the spontaneous ‘run and tumble’ motion of the bacterium gets frustrated: the elasticity of the LC prevents flagella from unbundling. Interestingly, to change direction, bacteria execute a reversal motion along the director field, driven by the relocation of a single flagellum, a ‘frustrated tumble’. We characterize this phenomenon in detail experimentally, exploiting exceptional spatial and temporal resolution of bacteria and flagella dynamics, using a two colour Lagrangian tracking technique. We suggest a possible mechanism accounting for these observations

DataSI from Frustrated ‘run and tumble’ of swimming Escherichia coli bacteria in nematic liquid crystals

In many situations, bacteria move in complex environments, as soils, oceans or the human gut-track, where carrier fluids show complex structures associated with non-Newtonian rheology. Many fundamental questions concerning the ability to navigate in such environments remain unsolved. Recently, it has been shown that the kinetics of bacterial motion in structured fluids as liquid crystals (LCs) is constrained by the orientational molecular order (or director field) and that novel spatio-temporal patterns arise. A question unaddressed so far is how bacteria change swimming direction in such an environment. In this work, we study the swimming mechanism of a single bacterium, Esherichia coli, constrained to move along the director field of a lyotropic chromonic liquid crystal confined to a planar cell. Here, the spontaneous ‘run and tumble’ motion of the bacterium gets frustrated: the elasticity of the LC prevents flagella from unbundling. Interestingly, to change direction, bacteria execute a reversal motion along the director field, driven by the relocation of a single flagellum, a ‘frustrated tumble’. We characterize this phenomenon in detail experimentally, exploiting exceptional spatial and temporal resolution of bacteria I and flagella r dynamics, using a two colour Lagrangian tracking technique. We suggest a possible mechanism accounting for these observations

Étonnante physique

International audienceDiscipline multimillénaire, la physique explore l’espace et le temps. De l’immensité des amas de galaxies à l’infinie petitesse des particules élémentaires, des échelles humaines – du mètre au centimètre – jusqu’au nanomonde, de l’extrême brièveté du mouvement de l’électron jusqu’au fond des âges d’où nous parviennent les premières lumières de l’Univers : les domaines couverts par cette discipline n’ont pas fini de nous étonner.Cette science est celle de l’expérimentation méthodique qui met au point des instruments originaux pour observer la matière, inerte ou vivante, en laboratoire ou à distance. Celle qui pose encore de grandes questions fondamentales. Mais aussi celle qui accompagne notre vie quotidienne avec ses développements dans les domaines des matériaux, de la santé, de l’énergie, du climat…Pour montrer toute sa richesse, cet ouvrage réunit 70 contributions de physiciennes et de physiciens récemment récompensés par une médaille du CNRS pour l’originalité et l’importance de leurs travaux. Abondamment illustré, accessible à tout amateur de science, Étonnante Physique lève un voile sur les recherches les plus actuelles

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