用於追蹤單個細菌細胞的實驗室晶元

用於跟蹤單個細菌生長和基因表達的微流體系統。圖片來源：巴塞爾大學，Biozentrum

巴塞爾大學Biozentrum的研究人員與德累斯頓馬克斯·普朗克研究所的研究人員一起，建立了一個帶有自動分析軟體的新型實驗室晶元。正如他們在「Nature Communications」上報道的一樣，這種集成設置可以用來研究響應動態控制的環境變化的單細菌細胞中的基因調控。

所述晶元幾乎比火柴盒還要小，然而在這個晶元上還有一個實驗室。單細菌細胞生長在2000個直徑千分之一毫米的通道中，並且可以由巴塞爾大學Biozentrum教授的研究人員Erik van Nimwegen教授分別單獨研究。通過短時間間隔記錄數以千計的顯微圖像，可以在數天內追蹤許多代單個大腸桿菌細菌的精確生長和行為。

自動分析生成的大量原始數據，並通過新的MoMA圖像分析軟體進行精確量化。該軟體是來自德累斯頓Max Planck分子細胞生物學和遺傳學研究所的Gene Myers教授研究小組的科學家合作開發的。

微流體裝置分析單細胞反應

研究人員現在可以利用這個新系統精確地研究在不斷變化的環境條件下，如何調控單細胞中基因。通過這種方法，他們不僅可以深入了解基因調控的過程，而且還能了解到細菌對不同環境適應性反應的多樣性。

例如，有可能研究單個細菌細胞突然接觸抗生素是如何反應的：無論是死亡，停止生長，還是繼續分裂而不受干擾。觀察抗生素對細胞增加的作用時間也是可能的。這對了解為什麼抗生素不總是殺死所有病原體很重要。

van Nimwegen說：「利用微流控晶元，我們也可以回答細菌如何相互溝通，它們如何對壓力做出反應，細菌菌株的關係是否在適應策略中發揮作用。 這樣的單細胞分析是非常重要的，因為整個細胞群體的測量往往具有誤導性，因為單細胞的所有異質性已經被平均掉了。」

細胞記憶對快速適應是非常重要的

研究人員利用基因調控模型系統Lac-Operon展示了晶元實驗室的效率。 van Nimwegen說「我們使用綠色熒光蛋白來觀察大腸桿菌細菌如何對從葡萄糖到乳糖的交替營養變化作出反應。研究了Lac-Operon 50多年，當用單細胞解析度觀察它時，我們發現了新的重要特性。」

在第一輪中，細菌轉換到乳糖周轉時間滯後。然而，從葡萄糖到乳糖的重複轉換導致了細胞在更早開始生長時更快的適應性。令人驚訝的是，遺傳相關細胞的滯後時間是相似的，這表明細菌保留了其祖先行為的記憶。

該系統適用於廣泛的應用。晶元設計和實驗的所有相關信息，用於圖像分析的MoMA軟體以及本研究中獲得的原始數據都可以在網上公開獲取。

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