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未来风向标:全球最小的实验室

未来风向标:全球最小的实验室

生命科学的研究对象很多是肉眼不可见的微小事物。上世纪,科学家们发明了许多大型设备,比如冷冻电镜和PCR仪。随着科技进步,本世纪则涌现出许多精妙微小的新型设备,比如Nanopore的纳米孔测序仪和微型光谱仪等“指尖上的仪器”。生物仪器开发已经不可阻挡地迈入了量身定做的“微型”时代。

最近,巴塞尔大学和马克斯普朗克研究所的研究人员在《Nature Communications》发表文章,报道“全球最小实验室”的运营情况。

他们建立了一个附带自动分析软件的新型芯片实验室,这种集成设备可用于在动态控制的环境变化中研究单个细菌细胞的基因调控。令人惊讶的是,这种由微型芯片组装成的“实验室”尺寸仅为一个火柴盒大小。直径约为千分之一毫米的频道内可容纳2000个细菌单细胞生长,同时实现分频道数据采集分析。

通过记录数千幅瞬时显微图像,微型芯片实验室可追踪长达几天内数代大肠杆菌的精确生长和行为,并自动生成大量原始数据,精确量化这些图像的分析软件名叫MoMA。

微流控分析单细胞反应

新系统不仅允许研究人员了解单个细胞的基因调控过程,而且还可了解细菌对不同环境的多样性适应性反应。

例如,单个细菌细胞对突如其来的抗生素的反应可能是死亡、停止生长或不受干扰地继续分裂。长时间观察抗生素对细胞的作用,研究人员可以从中了解为什么某些抗生素不能一贯地杀死所有病原体。

微流控芯片也能解答细菌之间如何相互沟通、如何应对压力,以及不同细菌菌株之间的‘互利互惠关系’是否有助于促进它们的适应性等问题,”巴塞尔大学教授Erik van Nimwegen说。“在整个细胞群落内,单细胞的所有异质性都被平均化了,导致测量结果常常是误导性的,因此单细胞分析的重要性不言而喻。”

细胞记忆对快速适应非常重要

研究人员利用基因调控“乳糖操纵子”模型系统来证明芯片实验室的效率。“我们用绿色荧光蛋白观察大肠杆菌对葡萄糖和乳糖的交替营养变化反应。尽管乳糖操纵子研究已有50年历史,当我们站在单细胞分辨率角度,还是从中发现了新的重要性质,” van Nimwegen说。

第一轮交替,细菌转变为乳糖周转的时间发生延迟,但是,经过几轮反复交替的葡萄糖-乳糖刺激,细胞的反应时间明显加快,表现为生长时间越发提前。比较出乎意料的是,遗传相关细胞系的滞后时间都很相似,说明细菌保留了祖先的行为记忆。

该系统的未来应用空间广阔,目前有关芯片设计和图像分析软件MoMA的所有相关信息,以及这项研究的原始数据都可公开访问。

原文标题

Monitoring single-cell gene regulation under dynamically controllable conditions with integrated microfluidics and software

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