生命科學的研究對象很多是肉眼不可見的微小事物。上世紀，科學家們發(fā)明了許多大型設備，比如冷凍電鏡和PCR儀。隨著科技進步，本世紀則涌現(xiàn)出許多精妙微小的新型設備，比如Nanopore的納米孔測序儀和微型光譜儀等“指尖上的儀器”。生物儀器開發(fā)已經(jīng)不可阻擋地邁入了量身定做的“微型”時代。

最近，巴塞爾大學和馬克斯普朗克研究所的研究人員在《Nature Communications》發(fā)表文章，報道“全球最小實驗室”的運營情況。

他們建立了一個附帶自動分析軟件的新型芯片實驗室，這種集成設備可用于在動態(tài)控制的環(huán)境變化中研究單個細菌細胞的基因調控。令人驚訝的是，這種由微型芯片組裝成的“實驗室”尺寸僅為一個火柴盒大小。直徑約為千分之一毫米的頻道內(nèi)可容納2000個細菌單細胞生長，同時實現(xiàn)分頻道數(shù)據(jù)采集分析。

通過記錄數(shù)千幅瞬時顯微圖像，微型芯片實驗室可追蹤長達幾天內(nèi)數(shù)代大腸桿菌的精確生長和行為，并自動生成大量原始數(shù)據(jù)，精確量化這些圖像的分析軟件名叫MoMA。

微流控分析單細胞反應

新系統(tǒng)不僅允許研究人員了解單個細胞的基因調控過程，而且還可了解細菌對不同環(huán)境的多樣性適應性反應。

例如，單個細菌細胞對突如其來的抗生素的反應可能是死亡、停止生長或不受干擾地繼續(xù)分裂。長時間觀察抗生素對細胞的作用，研究人員可以從中了解為什么某些抗生素不能一貫地殺死所有病原體。

“微流控芯片也能解答細菌之間如何相互溝通、如何應對壓力，以及不同細菌菌株之間的‘互利互惠關系’是否有助于促進它們的適應性等問題，”巴塞爾大學教授Erik van Nimwegen說。“在整個細胞群落內(nèi)，單細胞的所有異質性都被平均化了，導致測量結果常常是誤導性的，因此單細胞分析的重要性不言而喻。”

細胞記憶對快速適應非常重要

研究人員利用基因調控“乳糖操縱子”模型系統(tǒng)來證明芯片實驗室的效率。“我們用綠色熒光蛋白觀察大腸桿菌對葡萄糖和乳糖的交替營養(yǎng)變化反應。盡管乳糖操縱子研究已有50年歷史，當我們站在單細胞分辨率角度，還是從中發(fā)現(xiàn)了新的重要性質，” van Nimwegen說。

第一輪交替，細菌轉變?yōu)槿樘侵苻D的時間發(fā)生延遲，但是，經(jīng)過幾輪反復交替的葡萄糖-乳糖刺激，細胞的反應時間明顯加快，表現(xiàn)為生長時間越發(fā)提前。比較出乎意料的是，遺傳相關細胞系的滯后時間都很相似，說明細菌保留了祖先的行為記憶。

該系統(tǒng)的未來應用空間廣闊，目前有關芯片設計和圖像分析軟件MoMA的所有相關信息，以及這項研究的原始數(shù)據(jù)都可公開訪問。

原文標題

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

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