新显微活细胞微操方法的建立以及在细菌生物被膜研究中的应用

Micromanipulation of living cell is a modern technique that can precisely manipulate the positions or morphologies of multiple living cells, thus has been broadly applied in bio-related studies. However, the methods that can manipulate the genes expressions, signal transductions or phenotypes of living cells in a high throughput, non-invasion as well as in single-cell scale manners are rather limited. By using a combination of interactive micro-projection and optogenetics tools, here, we first propose a research plan that can 1) simultaneously monitor and manipulate the genes expressions, the concentrations of the second messengers and small RNAs (sRNA) in the single bacteria; and 2) precisely control the bacterial behaviors (i.e., surface motilities, surface attaching/detaching and microcolonies formations) on the surface and the morphologies of mature biofilms. By using this novel method, second, we will systemically investigate the interrelatedness among the bacterial behaviors, the specific genes expressions, the concentrations of the second messengers and sRNA during the Pseudomonas aeruginosa biofilms formation. Finally, we will try to precisely guide the biofilms formation in a programmable way using our method.

现代显微活细胞微操技术是一种集成了可对活细胞状态进行精确操纵、表征的重要研究手段。现今的显微活细胞微操技术多数只能对活细胞的空间位置以及形貌进行操控，而无法高通量、无损伤的对细胞内的基因表达、信号通路以及细胞生理行为进行精确操控。因此，我们拟将显微光学、光遗传学和微生物学中多种技术相结合，开发一整套新显微活细胞微操技术并将该技术应用于与细菌生物被膜相关的基础研究中。从而在细菌生物被膜形成过程中高通量、无损伤的实现：1）对菌内多种重要基因表达、第二信使分子浓度以及小RNA浓度的正交操控和监测；2）通过对以上因素的精确控制，实现对细菌的运动行为、粘附状态、细菌间菌落形成等关键细菌行为以及后续所形成生物被膜结构的精确控制。我们将以铜绿假单胞菌为模型通过所建立的新方法对菌内重要基因表达、第二信使分子浓度以及小RNA浓度的实施精确控制，从而进一步揭示其生物被膜形成、发展、成熟的内在分子机制。

现代显微活细胞微操技术是一种集成了可对活细胞状态进行精确操纵、表征的重要研究手段。现今的显微活细胞微操技术多数只能对活细胞的空间位置以及形貌进行操控，而无法高通量、无损伤的对细胞内的基因表达、信号通路以及细胞生理行为进行精确操控。因此，我们将显微光学、光遗传学和微生物学中多种技术相结合，开发一整套新显微活细胞微操技术并将该技术应用于与细菌生物被膜相关的基础研究中。从而在细菌生物被膜形成过程中高通量、无损伤的实现：1）在单细胞水平对菌内第二信使分子浓度的连续正交操控和监测，揭示了铜绿假单胞菌表面感知的异质性引起种群劳动的分工；2）通过对关键基因、第二信使分子浓度的精确控制，实现对细菌的运动行为、粘附状态、细菌间菌落形成等关键细菌行为以及后续所形成生物被膜结构的精确控制；3）通过显微活细胞微操技术实现高精度的活菌3D打印；4）建立多色荧光报告质粒工具箱及多色荧光成像信号分离的方法，实现高通量监测单细菌内多个基因组成的网络。