Ученые из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне создали наиболее точную на сегодняшний день картину динамики населения в изменчивых условиях голода или пира. Профессор Сеппе Кюн, физик-биолог, и его аспирант Джейсон Мерритт обнаружили, что плотность популяции бактерий зависит как от частоты, так и от амплитуды колебаний питательных веществ. Они обнаружили, что чем чаще циклы пиршества и чем длиннее цикл пиршества, тем быстрее восстанавливается население после голода. Этот результат имеет важное значение для понимания того, как микробные популяции справляются с постоянными колебаниями питательных веществ, с которыми они сталкиваются в природе.
Выводы группы стали возможными благодаря чрезвычайно точным измерениям динамики популяций в бактериальных сообществах. Измерение, основанное на автоматизированной визуализации сотен миллионов отдельных клеток, позволило команде зафиксировать динамику популяции за период более недели с временным разрешением в одну минуту. Эти цифры и увеличенная продолжительность эксперимента были бы невозможны без систем непрерывного культивирования Мерритта в сочетании с флуоресцентными микроскопами с автоматическим отбором проб..
Эти результаты опубликованы в выпуске Physical Review Letters от 28 августа.
На экспериментальную установку ушло около двух лет и на разработку множества прототипов. Меррит построил для эксперимента шесть идентичных систем, каждая из которых была автоматизирована для непрерывной закачки свежей среды и откачки бактериальных культур для отбора проб. Образцы постоянно фотографировались, чтобы отслеживать изменения в плотности и структуре популяции. Программное обеспечение, разработанное Merritt, автоматически сегментирует изображения для подсчета бактериальных клеток, создавая массивные наборы данных. Программное обеспечение использует преимущества машинного обучения для решения трудноразрешимых проблем распознавания и обработки изображений.
Кун комментирует: «Ученые, изучающие популяции бактерий, обычно берут образцы вручную и проводят их подсчет в автономном режиме, лично. Что делают системы Джейсона, так это автоматически извлекают образец, помещают его перед микроскопом для получения изображения, а затем верните его обратно. И они делают это раз в минуту, 24 часа в сутки, без ввода, в течение месяца. Его программа подсчитывает клетки на изображениях, извлекая информацию в реальном времени».
Он продолжает: «Так что это большой шаг вперед - такого еще никогда не было. Краткосрочные количественные исследования были проведены с использованием микрожидкостных устройств, но они ограничены временем выполнения около трех дней. Мы можем работать в течение 30 дней, производя долгосрочные количественные измерения. Мы можем легко проводить повторные эксперименты, воспроизводя те же результаты. Благодаря этому мы смогли использовать систему для проверки гипотез об основных механизмах, управляющих наблюдаемой нами динамикой».
Мерритт комментирует: «Идея системы выросла из предыдущей работы, которую проделал Сеппе. Устройство, которое я построил, представляет собой металлический блок со стеклянными пузырьками внутри. Самая важная часть нашей системы и та часть, которая была наиболее трудным для надежной работы является соединение с флуоресцентным микроскопом».
Система непрерывно отбирает образцы из жидкой культуры в гибкую трубку, а затем в тонкий стеклянный капилляр на пути микроскопа. Бактерии проходят через капилляр много за раз, но на расстоянии друг от друга. Самая большая проблема в целом была на стороне программного обеспечения, выполняя правильную сегментацию изображений для преобразования изображений в данные.
Главный вывод о том, что популяции, по-видимому, восстанавливаются быстрее от более частых или больших импульсов питательных веществ, поначалу озадачил команду. Однако точность измерений позволила раскрыть механизм.
Мерритт продолжает: «Мы обнаружили, что быстрые темпы восстановления планктонной популяции обусловлены рассредоточением агрегированных клеток (биопленок) во время еды. Таким образом, в основном, когда пищи много, эти скопления клеток начинают клетки быстро теряются, а клетки, которые отпадают, начинают быстро расти. Но во время голода, когда пищи не очень много, эти клетки начинают снова собираться вместе и снова образовывать агрегаты. Это механизм, определяющий частотную и амплитудную зависимость."
Кюн добавляет: «Изменения в естественной популяции могут быть результатом любой одной или комбинации многих различных переменных - количества питательных веществ, температуры, конкуренции и хищничества и т. д.- так что трудно измерить причину и следствие. В лаборатории мы жестко контролируем все параметры нашего эксперимента. И теперь мы можем сделать действительно надежное и воспроизводимое количественное измерение. В дальнейшем мы хотели бы модифицировать эти системы для изучения тем эволюционной истории. Мы также планируем провести исследования, в которых мы используем контроль микробных сообществ с обратной связью, чтобы увидеть, сможем ли мы вернуть сообщества в определенное состояние. Это исследования, которые были бы невозможны без автоматизированной системы, подобной той, которую мы использовали в этом исследовании».