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

细菌不仅仅是其世界中被动的乘客；它们是能够感知周围环境并有目的地移动的主动导航者。这种被称为趋化性（chemotaxis）的能力，使这些微观生物能够游向维持它们生存的营养物质，或远离威胁其生存的有毒物质。这是一种基本行为，塑造了细菌如何感染宿主、形成保护性群落以及在复杂环境中寻找食物的方式。对于科学家而言，理解这种导航能力至关重要，然而测量它长期以来一直是一项缓慢且不精确的工作。传统方法通常需要等待过夜，让细菌在培养皿中生长成肉眼可见的菌落，这个过程既费力又容易出现不一致性。由于结果会因实验设置的不同而产生巨大差异，因此很难检测出细菌对环境反应的细微变化，也很难发现新的吸引或排斥它们的物质。

香港城市大学的研究人员开发了一种观察这些微观游泳者的新方法，这种方法既快速又更加可靠。他们没有等待菌落生长，而是将一种经典的测试方法与一台微型自动化计数机相结合。在他们的方法中，细菌被放置在一个靠近含有特定化学物质的狭窄玻璃管的储液池中。如果该化学物质具有吸引力，细菌就会游进管内；如果具有排斥力，它们则会远离。在过去，科学家必须等待数小时，然后稀释管中的液体，再等待一天来计数最终的菌落。新系统完全跳过了这种等待的过程。一旦细菌有时间游入管中，液体会被直接注入一个微流控设备——一个带有微观通道的芯片——在那里，照相机和计算机可以实时计数每一个细菌。这一过程将获得结果所需的时间从超过十二小时缩短至仅需几分钟。

团队首先构建并测试了这个计数芯片，以确保它在不同条件下都能可靠运行。他们创建了各种尺寸的通道，并测试了细菌在不同速度下的移动情况。通过计算机模拟，他们绘制了水在这些微小管道内的流动图谱，确认了即使在流速发生剧烈变化时，该设备仍能准确计数细菌。他们发现，无论通道是宽是窄，或者液体移动得快还是慢，该系统都能保持精确。这种鲁棒性至关重要，因为这意味着结果取决于细菌的行为，而非机器的特性。当他们用已知的吸引剂和排斥剂测试该设备时，它成功测量了有多少细菌向天门冬氨酸（aspartate）移动，以及有多少细菌避开吲哚（indole）。结果具有一致性，并且显示出比旧方法更少的变异，从而使研究人员能够捕捉到此前被实验噪声所掩盖的差异。

凭借这一可靠的工具，研究人员将注意力转向了那些尚不为人所熟知的物质。他们测试了细菌对各种金属离子的反应，这是一个尚未得到深入探讨的问题。他们发现镍是一种强力的排斥剂，会导致细菌游离。他们还发现，在高浓度下，锌可以作为排斥剂，但在低浓度下可能表现为轻微的吸引剂。为了理解细菌的哪一部分负责感知这些金属，他们将正常细菌与缺乏特定受体蛋白的突变版本进行了对比。突变细菌仍然对锌有反应，但它们失去了感知镍的大部分能力。这证明了特定的受体对于检测镍是必不可少的，但对于感知锌则不然，从而揭示了细菌与其化学世界相互作用的一个新层面的细节。

为了进一步推动这项技术，研究人员设计了第二个版本的设备，消除了从管子移动样本到计数器的需求。在这个集成系统中，狭窄的通道本身既是测试场也是计数站。细菌直接从储液池游入通道，照相机实时观察它们的移动，无需外部泵或流动的水来干扰它们。这种设置允许团队观察细菌在暴露于吸引剂时的整个旅程，捕捉它们反应的最早时刻。他们观察到，在接触吸引剂后十分钟内，细菌就开始在通道中聚集，这种速度是旧方法永远无法企及的。此外，该系统允许他们追踪单个细菌的路径，表明它们并非只是随机漂流，而是朝着化学物质源头有着明确的方向移动。

这项工作表明，通过将简单的、经受过时间考验的方法与现代成像技术相结合，科学家可以以前所未有的清晰度和速度观察细菌行为。这种新方法不需要复杂的设备或数日的等待，使其能够被更广泛的实验室所使用。它提供了一个关于细菌如何导航其世界的清晰、定量的图像，涵盖了从对常见营养物质的反应到对金属离子的反应。通过消除过去的延迟和不一致性，这种方法为发现新的化学信号以及理解引导微观生命的根本规则打开了大门。