Ultrafast and reproducible quantitative analysis of bacterial chemotaxis by microfluidic cell counting and imaging

Bacteriën zijn niet louter passieve passagiers in hun wereld; het zijn actieve navigatoren die in staat zijn hun omgeving waar te nemen en met een doel te bewegen. Dit vermogen, bekend als chemotaxis, stelt deze microscopische organismen in staat om naar voedingsstoffen te zwemmen die hen in stand houden of weg van giftige stoffen die hun overleving bedreigen. Het is een fundamenteel gedrag dat bepaalt hoe bacteriën gastheren infecteren, beschermende gemeenschappen vormen en voedsel vinden in complexe omgevingen. Voor wetenschappers is het begrijpen van deze navigatie cruciaal, maar het meten ervan is lang een traag en onnauwkeurig proces geweest. Traditionele methoden vereisen vaak dat men een nacht wacht tot bacteriën zichtbare kolonies vormen op een petrischaal, een proces dat arbeidsintensief is en gevoelig voor inconsistenties. Omdat de resultaten sterk kunnen variëren afhankelijk van hoe het experiment is opgezet, was het moeilijk om subtiele veranderingen in de manier waarop bacteriën op hun omgeving reageren te detecteren of om nieuwe stoffen te ontdekken die hen aantrekken of afstoten.

Onderzoekers aan de City University of Hong Kong hebben een nieuwe manier ontwikkeld om deze microscopische zwemmers te observeren die zowel sneller als veel betrouwbaarder is. In plaats van te wachten tot kolonies groeien, hebben zij een klassieke testmethode gecombineerd met een piepkleine, geautomatiseerde telmachine. In hun aanpak worden bacteriën in een reservoir geplaatst naast een smal glazen buisje dat een specifieke chemische stof bevat. Als de stof aantrekkelijk is, zwemmen de bacteriën het buisje in; als het afstotend is, blijven ze ervan weg. In het verleden moesten wetenschappers uren wachten, en vervolgens de vloeistof uit het buisje verdunnen en nog een dag wachten om de resulterende kolonies te tellen. Het nieuwe systeem slaat het wachten volledig over. Zodra de bacteriën de tijd hebben gehad om in het buisje te zwemmen, wordt de vloeistof direct in een microfluidisch apparaat geïnjecteerd—een chip met microscopische kanaaltjes—waar een camera en computer elke individuele bacterie in realtime telt. Dit proces verkort de tijd die nodig is voor een resultaat van meer dan twaalf uur naar slechts enkele minuten.

Het team heeft eerst deze telchip gebouwd en getest om ervoor te zorgen dat deze betrouwbaar functioneert onder verschillende omstandigheden. Ze creëerden kanalen van verschillende formaten en testten hoe de bacteriën zich door deze bewogen bij verschillende snelheden. Met behulp van computersimulaties brachten ze in kaart hoe het water door deze minuscule buisjes stroomde, waarbij ze bevestigden dat het apparaat de bacteriën nog steeds nauwkeurig kon tellen, zelfs wanneer de stroomsnelheid drastisch veranderde. Ze ontdekten dat het systeem nauwkeurig bleef, of het kanaal nu breed of smal was, en of de vloeistof langzaam of snel bewoog. Deze robuustheid is essentieel, omdat het betekent dat de resultaten afhangen van het gedrag van de bacteriën en niet van de eigenaardigheden van de machine. Wanneer ze het apparaat testten met bekende attractanten en repellenten, mat het succesvol hoeveel bacteriën bewogen naar een stof genaamd aspartaat en hoeveel bacteriën een stof genaamd indool vermeden. De resultaten waren consistent en vertoonden veel minder variatie dan de oude methoden, waardoor de onderzoekers verschillen konden opsporen die voorheen verborgen bleven door experimentele ruis.

Met dit betrouwbare instrument in handen richtten de onderzoekers hun aandacht op stoffen die nog niet goed begrepen werden. Ze testten hoe bacteriën reageerden op diverse metaalionen, een vraag die nog niet grondig was onderzocht. Ze ontdekten dat nikkel werkt als een krachtige repellent, waardoor bacteriën er juist van wegzwemmen. Ze vonden ook dat zink als een afstotende stof kan werken bij hoge concentraties, maar bij lagere niveaus mogelijk als een milde attractant fungeert. Om te begrijpen welk deel van de bacterie verantwoordelijk is voor het waarnemen van deze metalen, vergeleken ze normale bacteriën met een mutantversie die een specifiek receptorproteïne mist. De mutante bacteriën reageerden nog steeds op zink, maar verloren bijna al hun vermogen om nikkel waar te nemen. Dit bewees dat de specifieke receptor essentieel is voor het detecteren van nikkel maar niet voor het waarnemen van zink, wat een nieuw niveau van detail onthulde in hoe bacteriën interageren met hun chemische wereld.

Om de technologie nog verder te verbeteren, ontwierpen de onderzoekers een tweede versie van het apparaat die de noodzaak elimineert om het monster van het buisje naar de teller te verplaatsen. In dit geïntegreerde systeem dient het smalle kanaal zelf zowel als de testomgeving als de telstation. De bacteriën zwemmen direct vanuit een reservoir het kanaal in, en de camera observeert hun beweging in realtime zonder dat er externe pompen of stromend water nodig zijn om de boel te verstoren. Deze opstelling stelde het team in staat om de reis van de bacteriën te observeren terwijl deze plaatsvond, waarbij de allereerste momenten van hun reactie werden vastgelegd. Ze observeerden dat bacteriën binnen tien minuten na blootstelling aan een attractant begonnen te accumuleren in het kanaal, een snelheid die de oudere methoden nooit hadden kunnen evenaren. Bovendien stelde dit systeem hen in staat om het pad van individuele bacteriën te volgen, wat aantoonde dat ze niet zomaar willekeurig driften, maar met een duidelijke richting naar de chemische bron bewegen.

Het werk laat zien dat door een eenvoudige, beproefde methode te combineren met moderne beeldvormingstechnologie, wetenschappers bacterieel gedrag met een helderheid en snelheid kunnen observeren die voorheen onmogelijk waren. De nieuwe aanpak vereist geen complexe apparatuur of dagen van wachten, waardoor het toegankelijk is voor een breder scala aan laboratoria. Het biedt een duidelijk, kwantitatief beeld van hoe bacteriën hun wereld navigeren, van hun reactie op algemene voedingsstoffen tot hun respons op metaalionen. Door de vertragingen en inconsistenties van het verleden weg te nemen, opent deze methode de deur naar de ontdekking van nieuwe chemische signalen en het begrijpen van de fundamentele regels die het microscopische leven leiden.