研究人员发明了捕捉和比较单个细菌细胞的新方法

十年前，Joshua Shrout开始与Arthur J. Schmitt化学和生物分子工程教授、巴黎圣母院Berthiaume精密健康研究所所长Paul Bohn合作。Bohn的实验室专注于创造新技术，以更精确地分析细胞和分子。Bohn和Shrout一起开始寻找新的方法来观察像铜绿假单胞菌这样的微生物，超越了在培养皿中观察细胞培养的传统方法。

　　

所有医院都在与一种看不见的威胁作斗争:铜绿假单胞菌。这种细菌每年影响重症监护病房的数千名患者，可导致败血症、肺炎和其他类型的感染。

圣母大学的细菌学家Joshua Shrout说:“对于一般的健康人来说，铜绿假单胞菌不会构成严重的威胁。”“但是对于那些最脆弱的人——免疫功能低下的人，使用呼吸机或导尿管的人，或者从严重烧伤或手术中恢复的人——这不仅严重，而且危及生命。这是由于细菌有一套复杂的自卫策略。”

Shrout是土木与环境工程与地球科学系的教授，他领导的一个研究小组对这些策略进行了细致入微的研究。他解释说，除了对许多最常见的抗生素具有耐药性外，铜绿假单胞菌还很容易粘附在表面上，通过将自己包裹在一层类似聚合物的生物膜中来产生自我保护。在一定条件下，铜绿假单胞菌也可以获得其他生物的抗生素菌株，甚至可以产生氰化物来杀死竞争对手。

跳出培养皿思考

十年前，Shrout开始与化学和生物分子工程教授、巴黎圣母院伯蒂奥姆精密健康研究所所长Paul Bohn,合作。Bohn的实验室专注于创造新技术，更精确地分析细胞和分子。Bohn和Shrout一起开始寻找新的方法来观察像铜绿假单胞菌这样的微生物，超越了在培养皿中观察细胞培养的传统方法。

“如果你培养和观察整个细胞培养，你会看到一般的行为，平均而言，”Bohn说。“但我们现在知道，最大的影响有时来自特定人群中的少数人。”

Shrout用其他生物行为的类比来解释这种效应。“想象一下，你正坐在后院的走廊上，听着外面蟋蟀的叫声，”他说。“可能有成千上万只蟋蟀，但影响你的是那些啾啾的蟋蟀。细菌种群中也可能存在类似类型的变异。然而，大多数微生物学家没有工具来充分了解人群中次要参与者的影响。”

Bohn和Shrout知道，在找到铜绿假单胞菌种群的关键差异之前，他们需要解决一些重大的技术挑战。首先，他们需要捕获单个细胞。然后，为了进行有意义的实验，他们需要在同一时间以相同的方式对细胞施加相同的刺激。最后，他们还需要一种方法来观察实验，追踪细胞对刺激的反应。

在国家过敏和传染病研究所和国家科学基金会的资助下，Bohn和Shrout决定开创一种新的方法。“一开始，”Bohn说，“我们被一个非常简单的问题所吸引:‘如果我们钻出与细菌细胞直径相同的洞会怎么样?如果我们这样做，我们能诱导细胞进入并留在体内吗?’”

建立一个更好的细菌陷阱

Allison Cutri是研究小组的一名化学博士生，她接受了创造这种设备的挑战，作为她论文研究的一部分。Cutri与博士后研究助理Vignesh Sundaresan一起在圣母大学纳米制造设施的洁净室中开发了该设备的主平台。他们使用了一种附加工艺，像微芯片一样一层一层地构建平台。对于设备的核心，他们使用了一层环氧树脂，并在两侧覆盖了一层薄薄的金箔，以将电流传导到每个细菌的目标点，就像在细胞的两端附加电极一样。

然后，Cutri采用圣母大学的综合成像设备，在设备上磨出100多个被称为微孔的小孔。每个微孔都是用聚焦的离子束钻成直径小于一微米的孔，大约比人类头发直径小50倍，让一个细菌溜进去。

由于铜绿假单胞菌倾向于粘在表面上，Cutri能够将单个细胞聚集到设备上并进入微孔中，每个细胞都在自己的孔中定居。然后，研究小组能够通过金层施加电荷，同时通过专门设计用于观察一类细菌分子的荧光显微镜拍摄实验。

他们观察到从井中发出的光，这证明该设备已经适当地装载了细菌。当他们对一团又一团的细胞进行测试时，他们注意到模式开始出现。一些细胞随着电荷一起发光。另一组则间歇性地响应电荷发光，而第三组则独立发光。

“我们仍然不确定是否存在其他差异，或者这些差异对对抗铜绿假单胞菌意味着什么，”Shrout说。然而，经过进一步的调查，他们能够在另一种不同类型的细菌中看到类似的模式:大肠杆菌。他们还能够确定每个细胞的代谢状态——无论是吸收还是消耗能量——在塑造细胞的行为中起着关键作用。

目前，研究人员表示，他们希望他们观察到的模式和他们创造的设备将激发类似的研究项目。他们最近在《细胞报告:物理科学》中描述了这些模式和设备。

Cutri解释说:“我们已经知道铜绿假单胞菌在对电荷做出反应时表现出荧光行为。”“但要认识到细胞反应的方式有如此多的变化，你需要一种能够让你单独观察细胞的设备。用现有的方法，这些差异将被掩盖。”

Shrout补充说:“作为一名研究人员，不仅要提出新问题，还要开发新工具和新平台，使这些问题成为可能，这是值得的。通过将细胞行为的知识与纳米制造和高分辨率成像结合起来，这就是我们在这个项目中能够做到的。”

文章标题

单个垂直定向铜绿假单胞菌细胞平行阵列的光谱电化学行为