中国科学院微生物研究所杜文斌研究组和陈义华研究组的文章“Whole lifecycle observation of single-spore germinated Streptomyces using a nanogap-stabilized microfluidic chip”于2022年9月24日在mLife正式上线。该研究开发了模拟自然土壤多孔微环境的微流控芯片，在单细胞水平上实现了链霉菌培养和生长发育周期的观察研究，表明该微流控芯片技术在链霉菌的多细胞分化、单孢异质性和次生代谢调控研究方面有望发挥重要作用。

背景介绍

链霉菌(Streptomyces)是自然环境中广泛存在的一类革兰氏阳性菌，大量生长在潮湿多孔的表层土壤中，其形态具有基内菌丝、气生菌丝和孢子链等复杂的生命周期分化结构，是研究细菌多细胞分化的重要模式细菌，也是抗微生物、抗肿瘤、及酶抑制活性等天然产物的主要生产类群。然而，由于链霉菌的复杂性和缺乏能够模拟其自然生长条件的研究工具，其细胞水平的生命周期尚未得到很好的研究。

科学发现

该团队首先开发了一套组装式微流控芯片，可用于从单细胞水平实现链霉菌生长发育的全生命周期观察。该芯片包括用于装载样品和提供营养物质的通道、用于单孢子分离和生长的微室阵列以及与1.5 µm微隙相连的气生菌丝和孢子生长的空气微室（air chamber）（图1）。该芯片的独特之处在于，每个微室周围都有一个1.5 µm的纳米间隙，这个纳米间隙连接到空气微室，提供稳定的水-气界面。

图1 用于观察链霉菌生命周期的微流控芯片图解。(A）微流控芯片的组装示意图；(B) 用移液器将孢子悬浮液装入微室后再排空通道以去除多余的孢子，培养基被持续注入芯片以允许链霉菌整个生命周期的生长发育；(C) 芯片剖面图展示链霉菌的生命周期发育过程。

利用该芯片实现了天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)和灰色链霉菌(Streptomyces griseus)从单孢子萌发开始的整个生命周期发育过程的观察（图2），通过显微镜可观察到在微尺度水-气界面和空气微室中气生菌丝与孢子链的分化。更为有趣的是，利用时间序列成像观察到气生菌丝的融合现象（图2D），这对研究菌丝内通讯、营养物质/水分转运和菌落内的整体稳态非常重要。

图2 微流控芯片中天蓝色链霉菌生长发育研究 。(A-C)通过光学显微镜(上图)和电子扫描显微镜(下图)分别观察营养菌丝(A)、气生菌丝(B)和孢子(C)；(D)天蓝色链霉菌菌丝吻合(融合)的时间序列成像。

A因子（A-Factor）类信号分子可全局调控链霉菌形态分化和次级代谢。对于生长在固体平板上的灰色链霉菌，分化过程始于控制A因子合成的afsA基因的表达。该团队通过构建S. griseus ΔafsA突变株，在不同时间点补加A因子类似物，验证了A因子参与气生菌丝和孢子形成的调控途径，发现在链霉菌生命周期中间有一个特定的A因子敏感期，敏感期之后再外源添加A因子，在固体和液体条件下都不再诱导形态分化（图3）。

图3 外源添加A-Factor对灰色链霉菌ΔafsA突变株生长发育的影响具有生命周期特异性，在生长发育晚期添加无法诱导气生菌丝分化。

总结展望

该研究开发了可模拟链霉菌自然生长环境的微流控芯片，可在单细胞水平对链霉菌的生长发育进行观察和研究。该芯片允许氧气透过，将菌丝限定在相对狭窄的显微成像焦距范围内，便于显微镜在微米级的空间分辨率下观察，而且方便拆卸，便于进一步进行原位电子显微镜形态学研究；该芯片还可以通过精确的时间和刺激控制对链霉菌的生长发育和次级代谢产物进行研究。链霉菌的次级代谢产物和其生命周期形态分化具有相关性，在微流体芯片上的完整生命周期也可能激活链霉菌的隐性次级代谢基因簇，促进新型抗生素等药物的发现。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mlf2.12039
引用本论文：Chen D, Nie M, Tang W, Zhang Y, Wang J, Lan Y, et al. Whole lifecycle observation of single‐spore germinated Streptomyces using a nanogap‐stabilized micro-fluidic chip. mLife. 2022.

https://doi.org/10.1002/mlf2.12039