用细菌群落制作错综复杂的图像

斯坦福大学的研究人员利用光和基因工程细菌，能够塑造细菌群落的生长。从波尔卡圆点到条纹到电路，它们可以在一夜之间渲染复杂的设计。该技术于3月19日在美国国家科学院院刊上描述，可以实现以25微米的分辨率生长的生物膜，其大约是一粒食盐的四分之一。

“地球上的大多数细菌都生活在生物膜群落中，生物膜与健康疾病非常相关 - 例如牙齿上的牙菌斑或基于导管的细菌感染，”生物工程助理教授，高级作者Ingmar Riedel-Kruse说。论文。“了解生物膜如何发挥作用是许多层面上的一个重要问题。”

该小组表示，该技术可以阐明生物膜是如何生长的，并导致新型生物材料或合成微生物群落的开发，这些生物材料或合成微生物群落可以在小型装置或系统中实施，例如微流体芯片或基于生物膜的电路。

生物膜光刻

该小组的技术依赖于大肠杆菌，这些大肠杆菌经基因工程分泌粘性蛋白，以响应特定波长的蓝光。当它们在修饰细菌的培养皿上以所需图案照射适当波长的光时，细菌粘附在被照亮的区域上，形成图案形状的生物膜。研究人员称他们的生物膜光刻技术与用于制造电子电路的光刻相似。

存在用于图案化细菌群落的其他技术，包括用喷墨打印机沉积它们或用在特定区域中偏向细菌生长的化学物质预先图案化培养表面。然而，研究人员表示，生物膜光刻技术具有速度快，简单，分辨率高，与各种表面环境(包括封闭式微流体装置)兼容的优点。

利用生物膜光刻技术实现的复杂设计有助于探索细菌群落的动态。

“生物膜存在于与其他细菌相关的社会环境中，”生物工程研究生，该论文的第一作者Jin Xiaan Jin说。“这些细菌之间的相互作用往往取决于它们相对于彼此的生长位置，这可能是一个很好的工具，可以准确地确定某些物种可以生存的细菌群落的何时何地。”

在测试生物膜光刻时，研究人员已经发现了一种新的见解。他们认为细胞进出照明区域会导致图案模糊，但设计结果却出奇得多。这些清晰的图像使得该小组得出结论，许多细菌必须已经与培养表面微弱结合。而不是在盘子周围巡航，似乎细菌不断地在表面上跳跃。

“在文献中，有不同的模型表明某些细菌物种是如何形成生物膜的，”Riedel-Kruse解释道。“我们认为，至少在这个物种中，我们为这一假设提供了额外的证据。”

硅的灵感

巧合的是，研究人员用生物膜实现的25微米分辨率与第一个硅光刻相似，这有助于硅半导体的广泛成功。同样，研究人员也看到了许多用于细菌设计的多功能和有影响力的应用。

“我们希望这种工具能够用于进一步了解天然和合成的细菌群落，”Jin说。“我们也看到了让这些社区做有用的事情的潜力，例如代谢生物合成或分布式生物计算。甚至可能创造出新型生物材料，如导电生物膜电路。”

研究人员目前正在采取措施，通过生物膜光刻同时培养多种细菌菌株，以建立多物种群落。特别是，他们希望了解生物膜中的细菌如何分享抗生素耐药性 - 这是一个具有重要临床意义的问题，因为众所周知生物膜对抗生素治疗非常顽固。