論文題目：Cooperative microbial interactions drive spatial segregation in porous environments
發(fā)表期刊：Nature Communications IF: 17.69
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39991-4
【前言】
土壤和沉積物等空隙環(huán)境是地球上微生物的主要棲息地。在這些空隙中，不同種類的微生物通過分泌胞外聚合物相互粘結(jié)形成致密的生物膜。這些生物膜內(nèi)的細(xì)胞具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和特殊的生態(tài)功能等特征。因此，揭示生物膜形成與功能發(fā)揮機(jī)制對于維護(hù)微生物生態(tài)系統(tǒng)、保障環(huán)境健康、支撐綠色發(fā)展至關(guān)重要。在過去幾十年的研究中，科研人員都在致力于深入剖析形成生物膜的微生物群落間的復(fù)雜關(guān)系。目前主要研究兩種微生物之間的相互作用對生物膜產(chǎn)生的影響，對不同微生物之間如何相互作用來調(diào)控生物膜的組裝和空間分布仍不清楚。
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)課題組通過制備微流控芯片來模擬土壤的多孔環(huán)境，解析了空隙環(huán)境中土壤生物膜群落的組裝過程，并研究了細(xì)菌是如何自主調(diào)節(jié)生物膜的空間分布以獲得在微環(huán)境中的優(yōu)勢。該工作以Cooperative microbial interactions drive spatial segregation in porous environments 為題，發(fā)表于Nature Communications 上。 本文中，不同間距的圖案化結(jié)構(gòu)樣品是由小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備而成，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)小巧緊湊(70 cm x 70 cm x 70 cm)、無需掩膜版、高直寫速度以及高分辨率等特點(diǎn)，為本實(shí)驗(yàn)的微流道和微柱結(jié)構(gòu)備做出了關(guān)鍵的方案支撐。
小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 生物薄膜在微流芯片中的形成過程。（a）模擬土壤微孔環(huán)境所制備的微流控芯片的示意圖和利用MicroWriter ML3制備的微柱陣列結(jié)構(gòu)。（b）生物膜在多孔環(huán)境下隨著時(shí)間的變化過程。（c）生物膜的厚度和粗糙度隨時(shí)間的變化。（d）在微流控芯片中浮游和成膜的細(xì)胞隨著時(shí)間的變化。圖中紅色實(shí)線代表著浮游狀態(tài)的細(xì)胞隨著膜的形成而減少。
圖2. 在生物膜產(chǎn)生過程中的群落變化。（a）微生物群落Bray-Curtis差異值隨著培養(yǎng)時(shí)間的變化。（b）前20的擴(kuò)增序列變體（ASV）在總微生物群落中的豐度。（c）不同生態(tài)過程在生物膜群落組裝中的相對重要性，包括同質(zhì)選擇（HoS）、異質(zhì)選擇（HeS）、同質(zhì)擴(kuò)散（HD）、擴(kuò)散（DL）和漂變（DR）。（d）不同屬對群落演替的相對貢獻(xiàn)。（e）微流控室生物膜的熒光原位雜交（FISH）圖像。
圖3. 群落組裝期間的外代謝產(chǎn)物池動(dòng)態(tài)。（a）總微生物群組成非度量多維尺度分析（NMDS）圖與代謝組NMDS圖的Procrustes旋轉(zhuǎn)。（b）氨基酸和ASV間的關(guān)系。（c）總氨基酸在上清液中的累積結(jié)果。（d）D型氨基酸（DAA）在生物膜形成過程中的變化。
圖4. DAAs對生物膜形成的抑制作用。（a）每個(gè)分離株生長48 h后的DAAs殘留量。（b）不同DAAs水平對生物膜形成的影響。
【結(jié)論】
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)課題組，通過MicroWriter ML3小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)制備了可以模擬土壤和沉積物等多孔環(huán)境的微流控芯片。解析了孔隙環(huán)境中土壤生物膜群落的組裝過程。研究發(fā)現(xiàn)，孔隙環(huán)境中浮游微生物與生物膜之間的相互作用會(huì)促使微生物群落空間分化。從論文中不難看出，MicroWriter ML3小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)可以根據(jù)科研的實(shí)際需要，迅速地制備出微流控芯片，能夠保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，為孔隙環(huán)境中生物膜群落組裝新機(jī)制的研究提供了堅(jiān)實(shí)有力的支持。
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