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)的細胞具有更強的環(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)揮機制對于維護微生物生態(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，為本實驗的微流道和微柱結(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)境下隨著時間的變化過程。（c）生物膜的厚度和粗糙度隨時間的變化。（d）在微流控芯片中浮游和成膜的細胞隨著時間的變化。圖中紅色實線代表著浮游狀態(tài)的細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)時間的變化。（b）前20的擴增序列變體（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)擴散（HD）、擴散（DL）和漂變（DR）。（d）不同屬對群落演替的相對貢獻。（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促使微生物群落空間分化。從論文中不難看出，MicroWriter ML3小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)可以根據(jù)科研的實際需要，迅速地制備出微流控芯片，能夠保證實驗的順利進行，為孔隙環(huán)境中生物膜群落組裝新機制的研究提供了堅實有力的支持。
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