Бактерии способны двигаться по направлению к аттрактантам (зачастую питательным веществам) и от репеллентов (например, токсинов). В качестве аттрактантов выступают практически все сахара и аминокислоты, в качестве репеллентов — жирные кислоты, спирты и другие потенциально вредоносные вещества. Чувствительность бактерии впечатляет — они легко детектируют изменение концентрации на 0,1 % при микромолярных концентрациях веществ, а диапазон детектируемых концентраций перекрывает пять порядков.
Аттрактанты и репелленты детектируются за счёт непосредственного взаимодействия со специфическими хеморецепторами, а не за счёт каких-либо внутриклеточных эффектов детектируемого вещества.
Мембранные рецепторы группируются в кластеры, как правило расположенные на полюсах клетки, однако это не может помочь бактерии уловить разницу концентраций между полюсами, поскольку она будет слишком маленькой из-за малого размера самой клетки.
Вместо этого бактерии ориентируются в химических градиентах путём измерения временных изменений концентраций при движении. Обычно скорость движения Escherichia coli составляет 10—20 своих длин в секунду.
Сравнивая текущую загруженность хеморецепторов специфическими лигандами с таковой несколько секунд назад, клетка фактически может «измерить» разницу концентраций определённого вещества на расстоянии, во много раз превышающем длину самой клетки.
Такое измерение концентрации лиганда во времени возможно за счёт адаптивного метилирования хеморецепторов, которое зависит от загруженности их лигандами.