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無掩膜直寫光刻系統揭示土壤孔隙環境中生物膜群落組裝新機制
論文題目：Cooperative microbial interactions drive spatial segregation in porous environments
發表期刊：Nature Communications IF: 17.69
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39991-4
發表期刊：Nature Communications IF: 17.69
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39991-4
【前言】
土壤和沉積物等空隙環境是地球上微生物的主要棲息地。在這些空隙中，不同種類的微生物通過分泌胞外聚合物相互粘結形成致密的生物膜。這些生物膜內的細胞具有更強的環境適應能力和特殊的生態功能等特征。因此，揭示生物膜形成與功能發揮機制對于維護微生物生態系統、保障環境健康、支撐綠色發展至關重要。在過去幾十年的研究中，科研人員都在致力于深入剖析形成生物膜的微生物群落間的復雜關系。目前主要研究兩種微生物之間的相互作用對生物膜產生的影響，對不同微生物之間如何相互作用來調控生物膜的組裝和空間分布仍不清楚。
近日，華中農業大學課題組通過制備微流控芯片來模擬土壤的多孔環境，解析了空隙環境中土壤生物膜群落的組裝過程，并研究了細菌是如何自主調節生物膜的空間分布以獲得在微環境中的優勢。該工作以Cooperative microbial interactions drive spatial segregation in porous environments 為題，發表于Nature Communications 上。
本文中，不同間距的圖案化結構樣品是由小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備而成，該設備的結構小巧緊湊(70 cm x 70 cm x 70 cm)、無需掩膜版、高直寫速度以及高分辨率等特點，為本實驗的微流道和微柱結構備做出了關鍵的方案支撐。
小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3
【圖文導讀】
圖1. 生物薄膜在微流芯片中的形成過程。（a）模擬土壤微孔環境所制備的微流控芯片的示意圖和利用MicroWriter ML3制備的微柱陣列結構。（b）生物膜在多孔環境下隨著時間的變化過程。（c）生物膜的厚度和粗糙度隨時間的變化。（d）在微流控芯片中浮游和成膜的細胞隨著時間的變化。圖中紅色實線代表著浮游狀態的細胞隨著膜的形成而減少。
圖2. 在生物膜產生過程中的群落變化。（a）微生物群落Bray-Curtis差異值隨著培養時間的變化。（b）前20的擴增序列變體（ASV）在總微生物群落中的豐度。（c）不同生態過程在生物膜群落組裝中的相對重要性，包括同質選擇（HoS）、異質選擇（HeS）、同質擴散（HD）、擴散（DL）和漂變（DR）。（d）不同屬對群落演替的相對貢獻。（e）微流控室生物膜的熒光原位雜交（FISH）圖像。
圖3. 群落組裝期間的外代謝產物池動態。（a）總微生物群組成非度量多維尺度分析（NMDS）圖與代謝組NMDS圖的Procrustes旋轉。（b）氨基酸和ASV間的關系。（c）總氨基酸在上清液中的累積結果。（d）D型氨基酸（DAA）在生物膜形成過程中的變化。
圖4. DAAs對生物膜形成的抑制作用。（a）每個分離株生長48 h后的DAAs殘留量。（b）不同DAAs水平對生物膜形成的影響。
【結論】
華中農業大學課題組，通過MicroWriter ML3小型臺式無掩膜直寫光刻系統制備了可以模擬土壤和沉積物等多孔環境的微流控芯片。解析了孔隙環境中土壤生物膜群落的組裝過程。研究發現，孔隙環境中浮游微生物與生物膜之間的相互作用會促使微生物群落空間分化。從論文中不難看出，MicroWriter ML3小型臺式無掩膜直寫光刻系統可以根據科研的實際需要，迅速地制備出微流控芯片，能夠保證實驗的順利進行，為孔隙環境中生物膜群落組裝新機制的研究提供了堅實有力的支持。
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