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使用微流控技术研究细菌趋化性——访谈

Studies of Bacterial Chemotaxis Using Microfluidics - Interview

我叫Roman Stocker，是麻省理工学院土木与环境工程系Ralph Parsons实验室的二年级助理教授。我来自意大利，研究方向为流体力学。因此，我的学术背景更偏向于物理科学，但在过去两到三年里，我逐渐转向环境与生物学领域。两年前，我开始开发微流控技术，以研究微生物生态学中的问题。利用这些微尺度装置，我们能够在微米尺度上探究典型的生态学问题。我们的研究主要关注海洋中能够游动并追踪食物来源的藻类生物。特别是，细菌已经进化出非常巧妙的游动方式，我在这里有一个小演示。细菌的头部基本上呈椭球形，你可以想象其大小约为两微米。在细菌的后端，有一根或多根鞭毛。这些鞭毛是螺旋状结构，细菌可以通过旋转它们产生推力，从而实现向前游动。细菌实现这一过程存在不同的模式，其运动方式也各不相同，这正是我们研究关注的一部分。细菌在海洋中游动的目的是为了更有效地利用营养物质来源，这也是过去15到20年间海洋微生物学领域发生范式转变的一部分。在此前，人们普遍认为海洋在米级甚至数十米尺度上是营养物质均匀分布的“汤状”环境；在这种对海洋的认知图景中，细菌等微小生物被认为几乎不发挥重要作用，仅仅是被动地随海洋环境的流动而迁移。但大约在10到15年前，人们意识到海洋中的实际情况并非如此，事实上，这些微小尺度的生物是决定海洋健康状况的最重要参与者之一，因而也影响着全球气候等重大问题。这主要有两个原因：第一个原因是，它们广泛分布于整个海洋中，其累积生物量远远超过所有其他海洋生物的总和。第二个原因，也许也是最根本的原因，是这些小型生物通过利用营养物质，特别是碳源，能够将营养物质重新循环供给食物网中的其他组分，从而显著增强海洋中营养级联的其他方面和其他环节。在所有这些过程中，我们的研究主要集中在游动生物与营养斑块之间的相互作用。细菌不仅能够游动，还能够感知并检测营养梯度。也就是说，它们能够感知生命环境的改善，并向营养物质浓度较高的区域游动。这一过程被称为趋化性。趋化性是指感知化学梯度并通过游动向其源头靠近的能力。这正是我们在实验室中研究的核心内容，而微流控技术是一种工具，使我们能够探究细菌的趋化性和游动能力，从而推断并放大它们在决定海洋健康状况中的作用。在过去一年半的时间里，我们建立了微流控装置，使我们能够在细菌暴露于海洋中常见的各种环境条件下进行研究。正如我之前提到的，包括典型的营养斑块，也包括例如湍流等条件。迄今为止，我们发现海洋细菌似乎已非常高效地适应了利用这些营养物质富集区域的能力，并能够通过游动来应对海洋中各种湍流条件，这使得它们在海洋环境中具有极强的生存能力。从它们的视角来看，海洋通常是一个营养贫瘠的荒漠，营养物质仅以零星且极为稀少的斑块形式存在于三维水体中；与此同时，这些细菌仍能游动，抵抗湍流，从而在周围水流剧烈运动时，依然能够追踪到其营养来源。地球系统计划是一项非常有意义的倡议，它汇聚了来自不同学科领域的众多研究人员，共同致力于更深入地理解地球系统的实际运行机制。简而言之，地球系统计划的目标是尝试为整个地球实现我们长期以来已在其他领域持续开展的工作——即系统性地观测、分析与理解复杂系统的运作规律。对于人类自身健康而言，了解地球的健康状况在当前尤为重要，例如由于全球变暖和温室气体等问题的出现。地球系统计划中的许多工作都致力于更深入地理解地球的整体健康状况。我们的研究通过考察海洋碳循环中的一个组成部分，融入了这一领域。我们尤其试图了解，如我之前提到的，海洋中微小的生物——特别是游动的细菌——如何影响这些大规模的生物地球化学循环，从而对海洋中的全球碳循环乃至包括大气在内的全球碳循环产生深远影响。迄今为止，我们在该领域开展的所有工作都得益于一项关键的技术进步，实际上也是由其推动的，那就是微流控技术。在过去10年中，微流控技术在波士顿-剑桥地区尤其发展成为一种非常有趣且先进的工具。当前形式的微流控技术由哈佛大学的George Whitesides教授开创，他提出了软光刻工艺以及使用PDMS进行微器件制造的方法。自那以来，微流控技术已广泛应用于众多领域。从化学工程到健康科学，我们已开始将其应用于微生物生态学，以解决海洋中与微生物运动相关的一些小尺度问题。简而言之，由于这些过程的尺度极小，加之海洋本身固有的变异性，直接在海洋中研究这些过程极为困难，甚至不可能。我们至今仍无法在海洋原位直接观察尺寸约为一微米的细菌。与此同时，人们曾尝试通过数值模拟或理论建模等方法来研究这些过程，但由于涉及生物学，必然需要依赖诸多假设。例如，你将不得不对细菌的游动策略或趋化性运动策略做出假设，因此需要通过真实实验来推动该领域的进展。微流控技术使我们能够将海洋中的微小区域或微小部分带入实验室，同时让细菌和微生物暴露在营养物质和流体环境方面均接近真实的条件下。与此同时，通过使用视频显微镜和细胞追踪技术，我们可以以高度可控的方式研究单个细菌的行为，从而在这些问题上取得十年前无法实现的进展，而所有这些都得益于技术的进步，特别是微流控技术（microfluidics）的发展。我认为该领域面临的两个主要挑战。第一个挑战，正如我之前提到的，是最终需要有能力将这些问题带到海洋中进行研究。之所以最终必须前往海洋，是为了捕捉这些过程中固有的全部变异性。例如，我们仍然不清楚在海洋中沉降颗粒物究竟会释放出哪些物质，其中含有何种营养成分，以及在实验室中细菌会趋向于哪些类型的化学化合物。目前我们只能研究其中最简单的条件，而海洋中实际发生的过程则是一系列复杂且高度可变的综合过程，最终我们需要在原位直接对其进行探索。从采样、成像，以及在化学和生物学分析的角度来看，这都是一个巨大的挑战，正如我多次提到的，这些过程所涉及的空间尺度仅为数微米级别，体积尺度则仅为皮升级别。我认为第二个更容易应对的挑战是三维可视化行为。目前我们在实验室中进行的所有工作都是二维的。我们使用常规显微镜来观察微生物的运动轨迹和聚集情况，但我们对一种称为数字全息成像的技术寄予厚望，预计在三到五年的时间范围内，该技术将使我们能够在三维空间中追踪这些现象，从而更准确、更真实地捕捉未来五年内的生态过程。除了尝试在取样中实现三维化，并可能初步尝试对海洋中的生物进行取样外，我们还迫切希望将这些研究与当前正在进行的、旨在理解这些生物基因组学的项目联系起来。特别是作为地球系统计划的一部分，目前正大力推动对野外细菌遗传组成及其遗传变异性的研究。与此同时，基因组学缺乏将研究发现直接与生物体行为关联的能力，而这正是我们期望微流控技术以及这些更侧重行为和经典生态学的研究能够带来的贡献。我们拥有出色的实验平台和优秀的团队，致力于研究海洋细菌的基因组学。通过与他们合作，我们希望能够将这两个基本问题联系起来，从而更深入地理解海洋中细菌的种类及其在决定海洋和地球健康方面所起的作用。

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