物理學(xué)研究生Jason Merritt在伊利諾伊州厄巴納的Loomis物理實(shí)驗(yàn)室Kuehn實(shí)驗(yàn)室研究他的自動(dòng)化細(xì)菌種群取樣裝置。來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的L. Brian Stauffer

伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的科學(xué)家們已經(jīng)提供了迄今為止在波動(dòng)的饑餓或饑荒條件下人口動(dòng)態(tài)的最準(zhǔn)確圖片。生物物理學(xué)家Seppe Kuehn教授和他的研究生Jason Merritt發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌種群密度是營養(yǎng)波動(dòng)的頻率和幅度的函數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，節(jié)日周期越頻繁，節(jié)日周期越長，人口從饑荒狀態(tài)恢復(fù)的速度就越快。該結(jié)果對(duì)于理解微生物種群如何應(yīng)對(duì)它們在自然界中經(jīng)歷的恒定養(yǎng)分波動(dòng)具有重要意義。

通過對(duì)細(xì)菌群落中種群動(dòng)態(tài)的非常精確的測量，該團(tuán)隊(duì)的研究成果成為可能。該測量基于數(shù)億個(gè)單細(xì)胞的自動(dòng)成像，使團(tuán)隊(duì)能夠捕獲超過一周的人口動(dòng)態(tài)，時(shí)間分辨率為1分鐘。如果沒有Merritt的連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)，再加上自動(dòng)采樣熒光顯微鏡，這些數(shù)字和實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間就不會(huì)發(fā)生。

這些研究結(jié)果發(fā)表在8月28日出版的“ 物理評(píng)論快報(bào)”上。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置花了大約兩年時(shí)間，并開發(fā)了許多原型。Merritt為實(shí)驗(yàn)建立了六個(gè)相同的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都自動(dòng)連續(xù)泵入新鮮培養(yǎng)基并抽出細(xì)菌培養(yǎng)物進(jìn)行取樣。對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)成像以跟蹤種群密度和結(jié)構(gòu)的變化。Merritt開發(fā)的軟件可自動(dòng)分割圖像以計(jì)算細(xì)菌細(xì)胞，從而生成大量數(shù)據(jù)集。該軟件利用機(jī)器學(xué)習(xí)來解決圖像識(shí)別和處理中難以解決的問題。

Kuehn評(píng)論道，“研究細(xì)菌種群的科學(xué)家通常會(huì)手動(dòng)采集樣本并親自進(jìn)行離線計(jì)數(shù)。杰森的系統(tǒng)所做的是自動(dòng)移除樣本，將其傳遞到顯微鏡前進(jìn)行成像，然后將其放回去。他們每天24小時(shí)，每天24小時(shí)不做任何輸入，長達(dá)一個(gè)月。他的軟件對(duì)圖像中的單元格進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)提取信息。“

圖表說明人口密度與可用營養(yǎng)素的頻率和幅度的函數(shù)關(guān)系。圖片來源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校Kuehn實(shí)驗(yàn)室

他繼續(xù)說道，“這是向前邁出的一大步 - 以前從未實(shí)現(xiàn)過。使用微流體裝置進(jìn)行了短時(shí)間的定量研究，但這些只限于運(yùn)行時(shí)間約三天。我們可以運(yùn)行30天，生產(chǎn)時(shí)間長時(shí)間尺度的高度定量測量。我們可以輕松地進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，重現(xiàn)相同的結(jié)果。因此，我們能夠使用該系統(tǒng)來檢驗(yàn)關(guān)于控制我們所觀察到的動(dòng)力學(xué)的潛在機(jī)制的假設(shè)。“

Merritt評(píng)論說：“系統(tǒng)的想法源于Seppe之前的工作。我制造的設(shè)備基本上是一個(gè)帶有玻璃瓶的金屬塊。它是我們系統(tǒng)中最重要的部分，也是最難獲得的部分可靠地工作是與熒光顯微鏡的耦合。“

該系統(tǒng)連續(xù)地將液體培養(yǎng)物中的樣品吸入柔性管中，然后進(jìn)入顯微鏡路徑中的薄玻璃毛細(xì)管。細(xì)菌一次多次通過毛細(xì)管，但彼此間隔開。整體上最大的挑戰(zhàn)是在軟件方面，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像分割以將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。

主要發(fā)現(xiàn)人群顯然從更頻繁或更大的營養(yǎng)脈沖中恢復(fù)得更快，一開始讓團(tuán)隊(duì)感到困惑。然而，測量的精確度使他們能夠揭示機(jī)制。

Merritt繼續(xù)說道，“我們發(fā)現(xiàn)浮游生物的快速回收率是由于在盛宴條件下聚集細(xì)胞（生物膜）的擴(kuò)散所致。所以基本上當(dāng)有大量食物時(shí)，這些細(xì)胞聚集體會(huì)迅速開始脫落細(xì)胞，脫落的細(xì)胞開始快速生長。但是在饑荒條件下，當(dāng)食物不多時(shí)，這些細(xì)胞開始重新聚集并再次形成聚集體。這是驅(qū)動(dòng)頻率和振幅依賴性的機(jī)制。

Kuehn補(bǔ)充說，“自然種群的變異可能是許多不同變量中的任何一個(gè)或組合的結(jié)果 - 營養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量，溫度，競爭和捕食等等 - 因此很難衡量因果關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)室中，我們嚴(yán)格控制我們實(shí)驗(yàn)的所有參數(shù)。現(xiàn)在我們可以進(jìn)行非常強(qiáng)大和可重復(fù)的定量測量。展望未來，我們希望修改這些系統(tǒng)以研究進(jìn)化史上的主題。我們還計(jì)劃進(jìn)行研究我們使用微生物群落的反饋控制，看看我們是否可以將社區(qū)推回到特定的狀態(tài)。這些是沒有像我們在本研究中使用的自動(dòng)化系統(tǒng)那樣的研究。“