在盛宴和饥荒周期下的高精度微生物种群动态

物理学研究生Jason Merritt在伊利诺伊州厄巴纳的Loomis物理实验室Kuehn实验室研究他的自动化细菌种群取样装置。来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的L. Brian Stauffer

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的科学家们已经提供了迄今为止在波动的饥饿或饥荒条件下人口动态的最准确图片。生物物理学家Seppe Kuehn教授和他的研究生Jason Merritt发现，细菌种群密度是营养波动的频率和幅度的函数。他们发现，节日周期越频繁，节日周期越长，人口从饥荒状态恢复的速度就越快。该结果对于理解微生物种群如何应对它们在自然界中经历的恒定养分波动具有重要意义。

通过对细菌群落中种群动态的非常精确的测量，该团队的研究成果成为可能。该测量基于数亿个单细胞的自动成像，使团队能够捕获超过一周的人口动态，时间分辨率为1分钟。如果没有Merritt的连续培养系统，再加上自动采样荧光显微镜，这些数字和实验的持续时间就不会发生。

这些研究结果发表在8月28日出版的“ 物理评论快报”上。

实验设置花了大约两年时间，并开发了许多原型。Merritt为实验建立了六个相同的系统，每个系统都自动连续泵入新鲜培养基并抽出细菌培养物进行取样。对样品进行连续成像以跟踪种群密度和结构的变化。Merritt开发的软件可自动分割图像以计算细菌细胞，从而生成大量数据集。该软件利用机器学习来解决图像识别和处理中难以解决的问题。

Kuehn评论道，“研究细菌种群的科学家通常会手动采集样本并亲自进行离线计数。杰森的系统所做的是自动移除样本，将其传递到显微镜前进行成像，然后将其放回去。他们每天24小时，每天24小时不做任何输入，长达一个月。他的软件对图像中的单元格进行计数，实时提取信息。“

图表说明人口密度与可用营养素的频率和幅度的函数关系。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校Kuehn实验室

他继续说道，“这是向前迈出的一大步 - 以前从未实现过。使用微流体装置进行了短时间的定量研究，但这些只限于运行时间约三天。我们可以运行30天，生产时间长时间尺度的高度定量测量。我们可以轻松地进行重复实验，重现相同的结果。因此，我们能够使用该系统来检验关于控制我们所观察到的动力学的潜在机制的假设。“

Merritt评论说：“系统的想法源于Seppe之前的工作。我制造的设备基本上是一个带有玻璃瓶的金属块。它是我们系统中最重要的部分，也是最难获得的部分可靠地工作是与荧光显微镜的耦合。“

该系统连续地将液体培养物中的样品吸入柔性管中，然后进入显微镜路径中的薄玻璃毛细管。细菌一次多次通过毛细管，但彼此间隔开。整体上最大的挑战是在软件方面，进行适当的图像分割以将图像转换为数据。

主要发现人群显然从更频繁或更大的营养脉冲中恢复得更快，一开始让团队感到困惑。然而，测量的精确度使他们能够揭示机制。

Merritt继续说道，“我们发现浮游生物的快速回收率是由于在盛宴条件下聚集细胞（生物膜）的扩散所致。所以基本上当有大量食物时，这些细胞聚集体会迅速开始脱落细胞，脱落的细胞开始快速生长。但是在饥荒条件下，当食物不多时，这些细胞开始重新聚集并再次形成聚集体。这是驱动频率和振幅依赖性的机制。

Kuehn补充说，“自然种群的变异可能是许多不同变量中的任何一个或组合的结果 - 营养物质的数量，温度，竞争和捕食等等 - 因此很难衡量因果关系。在实验室中，我们严格控制我们实验的所有参数。现在我们可以进行非常强大和可重复的定量测量。展望未来，我们希望修改这些系统以研究进化史上的主题。我们还计划进行研究我们使用微生物群落的反馈控制，看看我们是否可以将社区推回到特定的状态。这些是没有像我们在本研究中使用的自动化系统那样的研究。“