用于解释多相大肠杆菌生长动力学中葡萄糖驱动的不对称性的逻辑模型

摘要

本研究采用广义逻辑模型来解析大肠杆菌（Escherichia coli）在不同温度（29–45°C）和葡萄糖浓度（0.1–2.0% w/v）条件下的完整生长动力学。该模型量化了关键生长参数，包括特征时间 t_cL、对称性因子 τ（受葡萄糖影响）以及峰值生长速率（受温度影响）。研究发现，在15°C至20°C之间存在一个较低的热生长限制，这一现象与膜相变和翻译过程受阻有关，而传统的指数方法无法检测到这一现象。在最大生长速率下的倍增时间与文献数据一致，验证了该模型的预测准确性。重要的是，葡萄糖能够调节生长对称性（在饱和浓度下使 τ 减少2.6倍），而温度则控制着最大生长速率（使 b 增加2.4倍），从而实现对微生物群落的精确调控。这种参数分离为增强有益菌株（如益生菌、生物修复剂）和抑制废水处理、发酵及生物膜控制中的病原体提供了可行的策略。通过将生长的热力学驱动因素分离开来——温度控制速率因子 b（与催化动力学相关），底物可用性控制对称性参数 τ（反映群体层面的能量分配）——我们的模型为预测生物医学环境中的细胞反应提供了一个通用框架，例如细菌感染动态或代谢压力下的癌细胞增殖。