用于跟踪单个细菌细胞的芯片实验室

巴塞尔大学Biozentrum的研究人员与德累斯顿马克斯普朗克研究所的研究人员一起，建立了一个新的芯片实验室，配有自动分析软件。正如他们在Nature Communications报道的那样，这种集成设置可用于研究单个细菌细胞中的基因调控，以响应动态控制的环境变化。

它几乎不比火柴盒大，但在这个芯片上还有一个实验室。单个细菌细胞生长在约2000个直径千分之一毫米的通道中，并且可以由巴塞尔大学Biozentrum的Erik van Nimwegen教授的研究人员详细研究。通过在较短的时间间隔记录成千上万显微图像，个别大肠杆菌的许多代的精确生长和行为的细菌可以在几天内被跟踪。

生成的大量原始数据会自动进行分析，并通过名为MoMA的新图像分析软件进行精确量化。该软件是与德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所的Gene Myers教授的科学家合作开发的。

用于分析单细胞反应的微流体装置

使用新系统，研究人员现在可以准确研究在不断变化的环境条件下如何在单细胞中调节基因。通过这种方式，他们不仅可以深入了解基因调控过程，还可以了解细菌对不同环境的适应性反应的多样性。

例如，有可能研究个体细菌细胞如何对突然接触抗生素做出反应：它们是否死亡，停止生长，或者只是继续分裂而不受干扰。还可以观察抗生素对细胞的增加作用持续时间。这对于理解为什么抗生素并不总能杀死所有病原体非常重要。

“通过微流控芯片，我们也可以回答，细菌如何相互沟通，它们如何应对压力或细菌菌株的关系是否在适应策略中发挥作用，”van Nimwegen说。“这种单细胞分析非常重要，因为整个细胞群落的测量通常会产生误导，因为单个细胞的所有异质性都被平均化了。”

细胞记忆对于快速适应很重要

研究人员使用基因调控模型系统Lac-Operon证明了芯片实验室的效率。“我们使用绿色荧光蛋白来观察大肠杆菌对葡萄糖到乳糖等交替营养变化的反应.Lip-Operon已经研究了50多年了，我们仍然发现了新的重要特性。单细胞分辨率，“van Nimwegen说。

在第一轮中，细菌转换为乳糖周转时间滞后。然而，从葡萄糖到乳糖的重复转换导致细胞更快适应，因为它们开始更早地生长。“令人惊讶的是，遗传相关细胞的滞后时间相似，这表明细菌保留了对其祖先行为的记忆。”

该系统适用于广泛的应用。有关芯片设计和实验的所有相关信息，用于图像分析的MoMA软件以及本研究中获得的原始数据均可在线公开获取。