具有多个定子的细菌鞭毛马达动力学

细菌鞭毛马达驱动鞭毛丝的旋转，使许多种类的细菌能够游动。扭矩由锚定在肽聚糖细胞壁上的定子单元与转子相互作用产生。最近的实验 [Yuan, J. & Berg, H. C. (2008) PNAS 105, 1182-1185] 表明，在接近零负载时，马达的速度与定子数量无关。在此，我们引入一个马达动力学的数学模型，该模型基于一个普遍假设——定子的步进速率取决于定子施加在转子上的扭矩——来解释这种行为。我们发现马达动力学可以用两个时间尺度来表征：转子机械旋转的运动时间间隔和由定子化学转变决定的等待时间间隔。我们表明这两个时间尺度对负载的依赖关系不同，并且它们的交叉为实验观测到的扭矩-速度曲线中两个区域的存在提供了微观解释。我们还使用我们的模型分析了单个马达的速度涨落。我们表明，拥有更多定子单元可以使运动更平滑。然而，这种涨落减少的机制取决于负载。我们预测，速度涨落仅在低负载时由每转步数决定，而在高负载时受外部噪声控制。我们的模型可以推广到研究其他具有多个动力产生单元的分子马达系统。