无掩膜直写光刻系统，助力Nat. Commun.！揭示土壤孔隙环境中生物膜群落组装新机制

发布日期：2023-11-02

论文题目：Cooperative microbial interactions drive spatial segregation in porous environments

发表期刊：Nature Communications IF: 17.69

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39991-4

前言

土壤和沉积物等空隙环境是地球上微生物的主要栖息地。在这些空隙中，不同种类的微生物通过分泌胞外聚合物相互粘结形成致密的生物膜。这些生物膜内的细胞具有更强的环境适应能力和特殊的生态功能等特征。因此，揭示生物膜形成与功能发挥机制对于维护微生物生态系统、保障环境健康、支撑绿色发展至关重要。在过去几十年的研究中，科研人员都在致力于深入剖析形成生物膜的微生物群落间的复杂关系。目前主要研究两种微生物之间的相互作用对生物膜产生的影响，对不同微生物之间如何相互作用来调控生物膜的组装和空间分布仍不清楚。

近日，华中农业大学课题组通过制备微流控芯片来模拟土壤的多孔环境，解析了空隙环境中土壤生物膜群落的组装过程，并研究了细菌是如何自主调节生物膜的空间分布以获得在微环境中的优势。该工作以Cooperative microbial interactions drive spatial segregation in porous environments为题，发表于Nature Communications上。

本文中，不同间距的图案化结构样品是由小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备而成，该设备的结构小巧紧凑(70 cm x 70 cm x 70 cm)、无需掩膜版、高直写速度以及高分辨率等特点，为本实验的微流道和微柱结构备做出了关键的方案支撑。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

图文导读

图1. 生物薄膜在微流芯片中的形成过程。（a）模拟土壤微孔环境所制备的微流控芯片的示意图和利用MicroWriter ML3制备的微柱阵列结构。（b）生物膜在多孔环境下随着时间的变化过程。（c）生物膜的厚度和粗糙度随时间的变化。（d）在微流控芯片中浮游和成膜的细胞随着时间的变化。图中红色实线代表着浮游状态的细胞随着膜的形成而减少。

图2. 在生物膜产生过程中的群落变化。（a）微生物群落Bray-Curtis差异值随着培养时间的变化。（b）前20的扩增序列变体（ASV）在总微生物群落中的丰度。（c）不同生态过程在生物膜群落组装中的相对重要性，包括同质选择（HoS）、异质选择（HeS）、同质扩散（HD）、扩散（DL）和漂变（DR）。（d）不同属对群落演替的相对贡献。（e）微流控室生物膜的荧光原位杂交（FISH）图像。

图3. 群落组装期间的外代谢产物池动态。（a）总微生物群组成非度量多维尺度分析（NMDS）图与代谢组NMDS图的Procrustes旋转。（b）氨基酸和ASV间的关系。（c）总氨基酸在上清液中的累积结果。（d）D型氨基酸（DAA）在生物膜形成过程中的变化。

图4. DAAs对生物膜形成的抑制作用。（a）每个分离株生长48 h后的DAAs残留量。（b）不同DAAs水平对生物膜形成的影响。

结论

华中农业大学课题组，通过MicroWriter ML3小型台式无掩膜直写光刻系统制备了可以模拟土壤和沉积物等多孔环境的微流控芯片。解析了孔隙环境中土壤生物膜群落的组装过程。研究发现，孔隙环境中浮游微生物与生物膜之间的相互作用会促使微生物群落空间分化。从论文中不难看出，MicroWriter ML3小型台式无掩膜直写光刻系统可以根据科研的实际需要，迅速地制备出微流控芯片，能够保证实验的顺利进行，为孔隙环境中生物膜群落组装新机制的研究提供了坚实有力的支持。