Лаборатория на чипе для отслеживания отдельных бактериальных клеток

Исследователи из Базельского университета и Института Макса Планка создали новую систему «лаборатория на чипе» с автоматическим ПО для анализа. Как сообщается в Nature Communications, эта интегрированная установка позволяет изучать регуляцию генов в отдельных бактериальных клетках в ответ на динамически контролируемые изменения окружающей среды.

Чип размером со спичечный коробок содержит миниатюрную лабораторию. Отдельные клетки E. coli растут примерно в 2000 каналах диаметром в тысячную долю миллиметра. С помощью тысяч микроскопических снимков, сделанных с короткими интервалами, можно отслеживать рост и поведение многих поколений отдельных бактерий в течение нескольких дней.

Огромный объем сырых данных автоматически анализируется и точно количественно оценивается новым ПО для анализа изображений — MoMA. Это ПО было разработано совместно с учёными из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка в Дрездене.

Микрофлюидное устройство для анализа ответов отдельных клеток

Новая система позволяет точно изучать, как регулируются гены в отдельных клетках при изменяющихся условиях среды. Это даёт представление не только о процессах регуляции генов, но и о разнообразии адаптивных ответов бактерий.

Например, можно исследовать, как отдельные бактериальные клетки реагируют на внезапное воздействие антибиотика: погибают, перестают расти или продолжают делиться. Также можно наблюдать нарастающий эффект антибиотика во времени. Это важно для понимания, почему антибиотики не всегда убивают все патогены.

«С помощью микрофлюидного чипа мы также можем выяснить, как бактерии общаются друг с другом, как реагируют на стресс или играет ли роль родство штаммов в стратегиях адаптации», — говорит ван Нимвеген. «Такие анализы на уровне одной клетки очень важны, потому что измерения целых сообществ клеток часто вводят в заблуждение, поскольку вся неоднородность отдельных клеток усредняется».

Клеточная память важна для быстрой адаптации

Эффективность чипа была продемонстрирована на модели системы регуляции генов — Lac-опероне. «Мы использовали зелёный флуоресцентный белок, чтобы наблюдать, как бактерии E. coli реагируют на чередование питательных веществ: глюкозы и лактозы. Lac-оперон изучается более 50 лет, и всё равно мы обнаружили новые важные свойства, рассматривая его с разрешением одной клетки», — отмечает ван Нимвеген.

При первом переключении на лактозу бактерии начинали её утилизацию с временной задержкой. Однако повторные переключения с глюкозы на лактозу приводили к гораздо более быстрой адаптации клеток. «Удивительно, но время задержки было схожим у генетически родственных клеток, что позволяет предположить, что бактерии сохраняют память о поведении своих предков».

Эта система подходит для широкого круга применений. Вся соответствующая информация о дизайне чипа, экспериментах, ПО MoMA, а также сырые данные, полученные в этом исследовании, находятся в открытом доступе в сети.