基于微流控单细胞技术的环境压力下细菌尺寸调控机制研究

In order to maintain the stability of growth under different environment conditions, bacteria need to regulate the cell size precisely. Until now, the mechanism of cell size regulation under environmental stress (such as low nutrition, antibiotic exposure) is still not clear. The rise of microfluidic single cell technology provides a new opportunity for this study, due to the capability of long-term and high-resolution monitoring of cell size changes. Based on this technology, our group has found that cell size homeostasis follows the noisy linear map model, which states that larger initial cells tend to divide earlier, while smaller initial cells tend to divide later，bacteria in a colony exhibit linear negative feedback property with noisy trait. According to the previous study, we predict that environmental stress will weaken the bacteria’s ability of regulating cell size, while the noise distribution of cell size will be enlarged, but the cell size homeostasis mechanism will still inherit the basic property of noisy linear map model. In this project, we will investigate the relationship between environmental stress and cell size homeostasis based on improved microfluidic single cell technology from the perspective of quantitative biology, and validate our scientific assumptions. The completion of this project will not only provide more theoretical and experimental evidences for molecular mechanism of cell size regulation, but also provide a new feasible way to solve the bacteria antibiotic resistance problem.

细菌为了维持在各种环境条件下的稳定生长，需要对细胞尺寸进行精确调控。目前，环境压力下（如营养匮乏、抗生素存在等）细菌尺寸调控机制尚无解答。微流控单细胞技术能够对细菌微小尺寸变化进行长时间高分辨率监测，为环境压力下细菌尺寸调控机制的解答提供有效手段。基于此技术，我们前期研究发现：在常规培养条件下，细菌尺寸的调控符合噪声线性谱模型，即较大的新生细胞会更早分裂，较小的新生细胞会更晚分裂，群落中细菌尺寸分布呈现出具有噪声的线性负反馈特征。根据已有数据，我们认为：环境压力将降低细菌对细胞尺寸的调控能力，导致噪声分布数据的离散度升高，但细胞尺寸调控依然符合噪声线性谱模型的基本特性。本项目拟：以抗生素模拟环境压力，以改进的微流控单细胞技术为研究手段，系统分析环境压力对细菌尺寸调控机制的影响。本项目的完成将为细菌尺寸调控的分子学机理提供更多的理论和实验依据，还将为细菌耐药性问题提供新的可能性方案。

细菌尺寸调控机制被认为是生物研究领域最重要的基础问题之一。目前，国际上的相关研究主要集中在考察常规实验室培养基条件下的细菌尺寸调控的机制。然而，野生环境下的细菌面临着例如营养匮乏、噬菌体侵入、抗生素干扰等各种环境压力，细菌在一定的环境压力下依然能够维持细胞尺寸的稳定。环境压力下细菌尺寸的调控机制将会如何受到影响？这一科学问题仍然缺乏相关的科学数据予以解答。本项目利用流控单细胞技术实现单细胞水平细菌生理特性的分析，并在之前的研究基础之上，进一步考察抗生素干扰这一环境压力下细菌细胞的尺寸调控机制。.以此为目标，我们开发了一套基于微流控单细胞技术的细菌单细胞生理数据采集与分析系统。利用此系统，我们考察了不同种类和不同浓度抗生素干扰模拟的环境压力下细菌细胞生理特征的变化。根据得到的单细胞生理数据，我们进一步分析了抗生素干扰这一环境压力下的细菌细胞尺寸调控机制。基于上述的研究，我们发现，抗生素干扰环境压力条件下大肠杆菌（E. coli B/r）细胞仍然符合噪声线性谱（noisy linear map）这一细胞尺寸调控模型。但不同种类的抗生素会导致模型中的斜率项和噪声项发生不同程度的变化。干扰细胞壁合成的抗生素对模型中的两项影响最小，干扰DNA转录的抗生素对模型中的两项影响最大。.虽然目前细胞尺寸调控的分子机制尚不清楚，但本项目通过施加抗生素干扰来模拟环境压力，实现了有针对性的干扰细胞的尺寸调控，并通过分析抗生素干扰对尺寸调控模型的影响，得到了一些细菌细胞尺寸调控机制的新线索，为后续开展分子水平机制研究提供了基础。此外，我们的微流控系统和单细胞检测方法 可用于定量表征不同种类细菌细胞在抗生素处理时的生长活性，并在极短时间内判断细菌对所用抗生素是否具有耐药性。此方法检测时间远小于常规临床检测方法，因此可应用于临床致病菌耐药性的快速检测，同时为感染疾病的患者提供及时有效的抗生素处方建议。