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利用计算机控制细菌的群体行为

作者:Gašper Tkačik&Călin C. Guet

细菌在不同的群体中发生变化,并与其他细菌和环境相互作用,产生群体水平的基因表达模式。对这种行为进行详细的调查需要在单细胞水平上测量和控制种群,同时精确地定义相互作用和环境特征。

Guet教授团队设计了一个自动化的、可编程的平台,在一个动态可调的环境,数天时间里,该平台利用在线光控基因技术进行表达控制,   将数百个个体大肠杆菌细胞的基因表达和增长量度结合。这个集成的平台可以广泛地进行将个体和群体行为联系起来的实验。

Guet教授团队发现:

   1. 菌群结构由许多个体细胞基因表达的独立闭环控制,

    2. 在抗生素的干扰期间,细胞–细胞控制变异

    3. 在单细胞细菌中,复合生物数字电路,在个体细菌之间可以自由指定数字通信。

   这些例子展示了理论模型与许多单个细胞的测量和控制的实时集成的潜力,以便研究和设计微生物种群行为。

预测单个细菌和细菌种群的行为是具有挑战性的,在最简单的实验室条件中,包括种群异质性和生态或环境相互作用,任务的复杂性已经迅速增加。

即使是微生物的克隆群之间、与附近的有机体也能相互作用,经历空间和功能组织,使他们的群体免受包括抗生素在内的暂时性压力的影响,并调和毒性。

因此,为了理解和操作自然的或工程化的细菌种群,需要在实验中测量和控制产生自发群体行为的个体细胞中的因子。

计算机接口的化学和遗传学方法的基因调节为指定的微生物基因表达的调控提供了新的工具。这些方法统一地用在种群或单个细胞。这种能力将为探索和控制微生物种群提供强有力的途径,包括在单细胞水平上产生的种群的集体行为。


大肠杆菌细胞光控基因技术调节基因转录模块。

大肠杆菌细胞光控基因技术调节基因转录模块

单个细菌基因表达的、独立的、可编程的、光控基因技术控制实验平台。

a、通过实验平台,在线测量和耦合控制(细胞外,箭头指向),可以探测单个细胞的异质性、个体细胞环境变异的影响以及个体相互作用的群体行为。

b、实验平台概述:单个细菌在微流体“母亲机器”装置中、在规定的化学环境中培养几天。

从显微镜图像中自动提取 母细胞在每个控制位置(虚线框)的荧光报告表达、细胞形状和生长速率,并提供给细胞单独指定的软件控制器。

控制器输出的刺激向上或下调各单元光相应基因。单个刺激被收集,空间排列,并使用一个定制的改进的显微镜耦合的LCD投放设备发送到接收细胞。这个过程6分钟重复一次。

c、通过优化的CcaSR光调控, 蔚蓝的CFP被表达。在绿光(535 nm)下,CcaS-藻蓝素自磷酸化,然后磷酸化CcaR,CcaR结合并激活来自PcpcG2-172启动子的表达。

红光照射(670 nm)使CcaS去磷酸化,最终停止表达。

该平台通过反馈控制或数字限制在单个细胞中的基因表达来定量探索细菌群体的个体特征,可以拓展应用到多个研究方向。


光控基因技术:通过使用不同颜色的光、不同强度的光和不同照射时间的光,对细胞进行非侵入性的、可逆的调控,而且这种调控还可以在时间和空间上进行高精度的掌控。


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参考文献

Shaping bacterial population behavior through computer-interfaced control of individual cells

Remy Chait,Jakob Ruess,Tobias Bergmiller,Gašper Tkačik&Călin C. Guet


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