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一种用于光遗传学控制单个细菌细胞的自适应跟踪照明系统。

An adaptive tracking illumination system for optogenetic control of single bacterial cells.

机构信息

Shenzhen Synthetic Biology Infrastructure, Shenzhen Institute of Synthetic Biology, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055, China.

CAS Key Laboratory of Quantitative Engineering Biology, Shenzhen Institute of Synthetic Biology, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, 518055, China.

出版信息

Appl Microbiol Biotechnol. 2022 Oct;106(19-20):6775-6784. doi: 10.1007/s00253-022-12177-6. Epub 2022 Sep 21.

DOI:10.1007/s00253-022-12177-6
PMID:36129484
Abstract

Single-cell behaviors are essential during early-stage biofilm formation. In this study, we aimed to evaluate whether single-cell behaviors could be precisely and continuously manipulated by optogenetics. We thus established adaptive tracking illumination (ATI), a novel illumination method to precisely manipulate the gene expression and bacterial behavior of Pseudomonas aeruginosa on the surface at the single-cell level by using the combination of a high-throughput bacterial tracking algorithm, optogenetic manipulation, and adaptive microscopy. ATI enables precise gene expression control by manipulating the optogenetic module gene expression and type IV pili (TFP)-mediated motility and microcolony formation during biofilm formation through bis-(3'-5')-cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) level modifications in single cells. Moreover, we showed that the spatial organization of single cells in mature biofilms could be controlled using ATI. Therefore, this novel method we established might markedly answer various questions or resolve problems in microbiology. KEY POINTS: • High-resolution spatial and continuous optogenetic control of individual bacteria. • Phenotype-specific optogenetic control of individual bacteria. • Capacity to control biologically relevant processes in engineered single cells.

摘要

单细胞行为在生物膜形成的早期阶段至关重要。在这项研究中,我们旨在评估单细胞行为是否可以通过光遗传学进行精确和连续的操纵。因此,我们建立了自适应跟踪照明(ATI),这是一种新的照明方法,通过结合高通量细菌跟踪算法、光遗传学操作和自适应显微镜,在单细胞水平上精确操纵表面上铜绿假单胞菌的基因表达和细菌行为。ATI 通过操纵光遗传学模块基因表达和 IV 型菌毛(TFP)介导的运动以及生物膜形成过程中的微菌落形成,通过双(3'-5')-环二核苷酸单磷酸(c-di-GMP)水平修饰来实现精确的基因表达控制。此外,我们表明,ATI 可用于控制成熟生物膜中单细胞的空间组织。因此,我们建立的这种新方法可能会显著回答微生物学中的各种问题或解决问题。关键点:

  • 高分辨率的空间和连续的单细胞光遗传学控制。

  • 针对特定表型的单细胞光遗传学控制。

  • 控制工程化单细胞中生物相关过程的能力。

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