Исследователи из Биоцентра Базельского университета вместе с исследователями из Института Макса Планка в Дрездене создали новую лабораторию на чипе с сопутствующим программным обеспечением для автоматического анализа. Как они сообщают в Nature Communications, эта интегрированная установка может быть использована для изучения регуляции генов в отдельных бактериальных клетках в ответ на динамически контролируемые изменения окружающей среды.
Вряд ли он больше спичечного коробка, и тем не менее на этом чипе есть лаборатория в миниатюре. Отдельные бактериальные клетки растут примерно в 2000 каналах диаметром в одну тысячную миллиметра и могут быть индивидуально детально изучены исследователями из группы профессора Эрика ван Нимвегена в Биоцентре Базельского университета. Записывая тысячи микроскопических изображений через короткие промежутки времени, можно отслеживать точный рост и поведение многих поколений отдельных бактерий E. coli в течение нескольких дней.
Огромный объем сгенерированных необработанных данных автоматически анализируется и точно оценивается с помощью нового программного обеспечения для анализа изображений под названием MoMA. Программное обеспечение было разработано в сотрудничестве с учеными из исследовательской группы профессора Джина Майерса из Института молекулярной клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене.
Микрожидкостное устройство для анализа ответов одиночных клеток
Используя новую систему, исследователи теперь могут точно изучить, как гены регулируются в отдельных клетках в меняющихся условиях окружающей среды. Таким образом, они не только получают представление о процессах регуляции генов, но и получают представление о разнообразии адаптивных реакций бактерий к различным условиям окружающей среды.
Например, можно исследовать, как отдельные бактериальные клетки реагируют на внезапное воздействие антибиотика: погибают ли они, перестают расти или просто продолжают беспрепятственно делиться. Также можно наблюдать увеличение продолжительности действия антибиотика на клетки. Это важно, чтобы понять, почему антибиотики не всегда убивают все патогены.
«С помощью микрофлюидного чипа мы также можем выяснить, как бактерии общаются друг с другом, как они реагируют на стресс и играют ли роль родственные связи бактериальных штаммов в стратегиях адаптации», - говорит ван Нимвеген.«Такие анализы отдельных клеток очень важны, потому что измерения целых клеточных сообществ часто вводят в заблуждение, поскольку вся неоднородность отдельных клеток была усреднена».
Клеточная память важна для быстрой адаптации
Исследователи продемонстрировали эффективность лаборатории чипов, используя модельную систему регуляции генов Lac-Operon. «Мы использовали зеленый флуоресцентный белок, чтобы наблюдать, как бактерии кишечной палочки реагируют на попеременную смену питательных веществ с глюкозы на лактозу. Lac-Operon изучался более 50 лет, и тем не менее мы обнаружили новые важные свойства, изучая его с помощью разрешение одной ячейки», - говорит ван Нимвеген.
В первом раунде бактерии переключились на оборот лактозы с временным лагом. Однако многократное переключение с глюкозы на лактозу приводило к гораздо более быстрой адаптации клеток, так как они гораздо раньше начинали расти. «Удивительно, но время задержки в генетически связанных клетках одинаково, что позволяет предположить, что бактерии сохраняют память о поведении своих предков."
Эта система подходит для широкого спектра применений. Вся соответствующая информация о дизайне чипов и экспериментах, программном обеспечении MoMA для анализа изображений, а также необработанные данные, полученные в ходе этого исследования, находятся в открытом доступе в Интернете.