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              科研進展

              深圳先進院開發光遺傳學領域自適應跟蹤照明控制方法

              發布時間:2022-09-27 來源:深圳先進技術研究院

                9月21日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所金帆團隊Applied Microbiology and Biotechnology上在線發表題為“An adaptive tracking illumination system for optogenetic control of single bacterial cells” 的最新成果。該研究開發了光遺傳學領域自適應跟蹤照明控制方法,通過高精度光投影結合高通量細菌跟蹤算法和光遺傳學,可以精確和持續地操縱運動和分裂的單細胞行為。 

                深圳先進院合成所助理研究員夏愛國、助理研究員張榮榮為文章的共同第一作者,金帆研究員為本文通訊作者,助理研究員楊帥為共同通訊作者。 

                  

                文章上線截圖 

                文章鏈接:https://doi.org/10.1007/s00253-022-12177-6 

                  

                光遺傳學是一種具有精確時空分辨率的快速、無創和細胞靶向操作的優秀工具,近年來受到研究人員的青睞。光遺傳學操作的強大功能特別有利于在特定時間控制特定細胞類型。這能夠幫助研究細胞內的某些生命進程或轉化,尤其是在整個系統中有其他的生命進程或轉化發生時。 

                光遺傳學目前的應用主要是圖案化或者區域化光刺激,或對秀麗線蟲等個體較大的運動細胞提供持續光刺激,整體方法不適合亞微米級的細菌。在這篇文章中,作者介紹了一種在單細胞水平上精確操縱銅綠假單胞菌的基因表達和細菌行為的光遺傳控制方法,自適應跟蹤照明(adaptive tracking illumination, ATI)。作者通過高精度的自適應顯微鏡投影,結合高通量細菌跟蹤算法和光遺傳學,可以精確和持續地操縱運動和分裂的單細胞行為(圖1)。 

               

                

              1 ATI實現在單細胞水平的反饋光調控 

                  

                該方法通過將空間光調制器的圖案投影到高倍油鏡的視場中,實現高精度的顯微鏡微投影。計算機再將獲取到的顯微鏡明場圖像經過實時地圖像分割和細菌識別,獲取細菌的實時輪廓及位置,通過反饋算法將細菌的輪廓投影到顯微鏡的視場中,實現對單細菌的精確光刺激。進一步結合實時的細菌追蹤算法實現對目標細菌進行連續的光刺激,從而達到精確和持續地操縱運動和分裂的單細胞行為。 

                  

                為了測試該方法潛在的應用,作者在細菌內應用了藍光響應模塊pDawn-Tn7,并在pDawn后表達綠色熒光蛋白sfGFP,從而使細菌內sfGFP熒光蛋白水平受到藍光調控。上述基因改造的銅綠假單胞菌在流動池表面上正常運動,生長和分裂。可人為或者隨機選定目標細菌,ATI將精確的持續為目標單細胞提供反饋式光遺傳控制,而不影響其他的細菌。結果表明ATI在單細胞水平上很好地控制了細菌及其子代的綠色熒光蛋白sfGFP的表達(圖2)。 

                  

                

              2 ATI精確調控單細胞內的基因表達 

                  

                而后,研究人員進一步導入光遺傳控制基因bphS調控環二聚鳥苷單磷酸(c-di-GMP)的水平,在單細胞水平上中實現了對細菌內c-di-GMP的精確控制,從而操縱生物膜早期形成過程中細菌IV型菌毛(TFP)主導的蹭行運動和微菌落形成。此外,作者還利用ATI控制在生物被膜形成早期時細胞的空間組織(圖3)。 

                  

               

               3 ATI控制生物被膜形成早期時的微菌落 

                  

                在早期生物膜形成過程中,單細胞行為的研究是必不可少的。如何在單細胞的尺度上控制細菌的行為是研究人員一直探究的問題。自適應跟蹤照明控制方法解決了由于細菌在表面運動和分裂等原因無法長時間連續對單個細菌進行光遺傳控制的問題,將光遺傳控制方法提升到單細胞的尺度上。結合顯微鏡拍攝圖像的實時反饋,可實現個別細菌表型的特定光遺傳學控制,擁有控制工程菌株生長運動的能力。    

                該工作獲得國家重點研發計劃項目,中科院儀器項目和國家自然科學基金青年基金等項目支持。 

                  


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