物理學研究生Jason Merritt在伊利諾伊州厄巴納的Loomis物理實驗室Kuehn實驗室研究他的自動化細菌種群取樣裝置。來自伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的L. Brian Stauffer

伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的科學家們已經提供了迄今為止在波動的饑餓或饑荒條件下人口動態的最準確圖片。生物物理學家Seppe Kuehn教授和他的研究生Jason Merritt發現，細菌種群密度是營養波動的頻率和幅度的函數。他們發現，節日周期越頻繁，節日周期越長，人口從饑荒狀態恢復的速度就越快。該結果對于理解微生物種群如何應對它們在自然界中經歷的恒定養分波動具有重要意義。

通過對細菌群落中種群動態的非常精確的測量，該團隊的研究成果成為可能。該測量基于數億個單細胞的自動成像，使團隊能夠捕獲超過一周的人口動態，時間分辨率為1分鐘。如果沒有Merritt的連續培養系統，再加上自動采樣熒光顯微鏡，這些數字和實驗的持續時間就不會發生。

這些研究結果發表在8月28日出版的“ 物理評論快報”上。

實驗設置花了大約兩年時間，并開發了許多原型。Merritt為實驗建立了六個相同的系統，每個系統都自動連續泵入新鮮培養基并抽出細菌培養物進行取樣。對樣品進行連續成像以跟蹤種群密度和結構的變化。Merritt開發的軟件可自動分割圖像以計算細菌細胞，從而生成大量數據集。該軟件利用機器學習來解決圖像識別和處理中難以解決的問題。

Kuehn評論道，“研究細菌種群的科學家通常會手動采集樣本并親自進行離線計數。杰森的系統所做的是自動移除樣本，將其傳遞到顯微鏡前進行成像，然后將其放回去。他們每天24小時，每天24小時不做任何輸入，長達一個月。他的軟件對圖像中的單元格進行計數，實時提取信息。“

圖表說明人口密度與可用營養素的頻率和幅度的函數關系。圖片來源：伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校Kuehn實驗室

他繼續說道，“這是向前邁出的一大步 - 以前從未實現過。使用微流體裝置進行了短時間的定量研究，但這些只限于運行時間約三天。我們可以運行30天，生產時間長時間尺度的高度定量測量。我們可以輕松地進行重復實驗，重現相同的結果。因此，我們能夠使用該系統來檢驗關于控制我們所觀察到的動力學的潛在機制的假設。“

Merritt評論說：“系統的想法源于Seppe之前的工作。我制造的設備基本上是一個帶有玻璃瓶的金屬塊。它是我們系統中最重要的部分，也是最難獲得的部分可靠地工作是與熒光顯微鏡的耦合。“

該系統連續地將液體培養物中的樣品吸入柔性管中，然后進入顯微鏡路徑中的薄玻璃毛細管。細菌一次多次通過毛細管，但彼此間隔開。整體上最大的挑戰是在軟件方面，進行適當的圖像分割以將圖像轉換為數據。

主要發現人群顯然從更頻繁或更大的營養脈沖中恢復得更快，一開始讓團隊感到困惑。然而，測量的精確度使他們能夠揭示機制。

Merritt繼續說道，“我們發現浮游生物的快速回收率是由于在盛宴條件下聚集細胞（生物膜）的擴散所致。所以基本上當有大量食物時，這些細胞聚集體會迅速開始脫落細胞，脫落的細胞開始快速生長。但是在饑荒條件下，當食物不多時，這些細胞開始重新聚集并再次形成聚集體。這是驅動頻率和振幅依賴性的機制。

Kuehn補充說，“自然種群的變異可能是許多不同變量中的任何一個或組合的結果 - 營養物質的數量，溫度，競爭和捕食等等 - 因此很難衡量因果關系。在實驗室中，我們嚴格控制我們實驗的所有參數。現在我們可以進行非常強大和可重復的定量測量。展望未來，我們希望修改這些系統以研究進化史上的主題。我們還計劃進行研究我們使用微生物群落的反饋控制，看看我們是否可以將社區推回到特定的狀態。這些是沒有像我們在本研究中使用的自動化系統那樣的研究。“