PRL+PRE：定量刻画细菌运动的高通量方法
如何定量刻画微生物，特别是大量微生物个体的运动一直是生物物理与活性物质领域的难题，而最近的一项新研究发展了一种新的高通量方法，成功定量刻画了大肠杆菌的运动。该研究于1月19日发表在《物理评论快报》（《Physical Review Letters》）[1]与《物理评论E》（《Physical Review E》）[2]，被选为PRL编辑推荐论文，并被美国物理学会《物理》（《Physics》）杂志报道[3]。两篇文章的第一作者均为苏州大学赵永峰副教授与德国马克斯普朗克研究所课题组组长Christina Kurzthaler博士。
以大肠杆菌为代表的一类细菌在水中的游动可以用游动-翻转运动来描述：大肠杆菌靠鞭毛推动自身定向游动，游动中的细菌会随机中断游动进入原地翻转的状态，在短时间的翻转改变自身方向后重新恢复游动。这一运动模式与细菌的趋向性直接相关[4]，通过调控细菌的运动可以产生丰富的自组织图案[5, 6]。因而对细菌运动的定量测量关系着对趋向性相关问题的研究，并可对人工设计与生物工程提供指引。
然而，定量刻画游动-翻转运动长期以来是一个难题。相比细菌游动的时间，细菌翻转的时间较为短暂。对细菌游动速度的测量需要短时间与高分辨率的观测，但对于翻转的可靠统计要求对细菌进行长时间与大空间范围的测量，传统的追踪方法难以在三维空间中同时获得如此大尺度跨度的轨迹，而在此基础上对大量细菌群体进行统计则更为困难。
为解决这一难题，我们发展了微分动态显微技术（Differential dynamic microscopy），以实现高通量跨尺度的测量。该技术使用高速相机对样品进行光学成像，并从影片中像素灰度涨落在傅里叶空间的自关联中提取出细菌的中间散射函数（Intermediate scattering function），而中间散射函数则包含了粒子运动的全部信息。为了完整刻画细菌的游动-翻转运动，我们需要在不同的显微镜放大倍率下对样品进行测量，并同时对多尺度的中间散射函数进行分析。我们借助更新理论（Renewal theory）或数值拉普拉斯逆变换克服了理论计算游动-翻转运动中间散射函数的困难，从而可以通过函数拟合从实验数据中同时获得细菌全部的运动学参数。
在这一方法基础上，我们对一株工程化改造大肠杆菌NZ1的运动性能进行了测量，首次建立了化学调控信号与细菌运动表现的定量联系。大肠杆菌通过控制鞭毛旋转的方向改变自己的游动与翻转状态，而CheZ是控制鞭毛旋转方向的一个关键的蛋白质。我们编辑了大肠杆菌的基因，使用外加的化学信号IPTG来控制CheZ的产生。根据分子生物学的知识，可以预期IPTG的增加应当使得细菌更倾向于直线游动，但这一推测始终缺乏直接的定量测量。借助新的微分动态显微技术，我们实现了对细菌随IPTG的改变从持续翻转到平滑游动的定量刻画，并将细菌的运动性能与CheZ mRNA的转录建立了定量的直接联系。此外，我们首次将野生型大肠杆菌在微观尺度下细菌的游动-翻转运动与宏观尺度的有效扩散定量联系起来，以更高的统计精度更新了Berg等人在1972年的追踪结果[7]。
这一研究的意义在于解决了如何定量测量大量微生物个体的运动这一生物物理和活性物质领域的难题。这一研究发展了一种新的高通量方法：通过发展微分动态显微技术，我们实现了三维空间中高通量跨尺度的细菌运动测量，成功定量刻画了大肠杆菌的运动，为大量细菌群体的统计分析提供了可能。此外，我们还首次建立了化学调控信号与细菌运动表现的定量联系，并将野生型大肠杆菌在微观尺度下的游动-翻转运动与宏观尺度的有效扩散定量联系起来。
这一方法实现了以更经济的成像设备对细菌群体进行三维、高统计精度的快速测量，将有助于研究趋向性相关问题，并为自下而上进行人工设计与生物工程提供了可能。未来这一方法将可以推广到其他种类的微游泳体，为相关的生物和物理学研究提供巨大帮助。该工作涉及活性物质理论、光学实验和合成生物学三个不同领域的深入合作，展示了跨学科研究的重要性。PRL的通讯作者为Christina Kurzthaler、赵永峰、美国麻省理工学院Julien Tailleur副教授、英国爱丁堡大学Vincent Martinez博士，PRE的通讯作者为赵永峰、Christina Kurzthaler、Julien Tailleur。浙江大学周楠研究员，爱丁堡大学Jana Schwarz-Linek博士、Clemence Devailly博士、Jochen Arlt博士，香港大学黄建东教授，爱丁堡大学Wilson C. K. Poon教授，奥地利因斯布鲁克大学Thomas Franosch教授均参与了该工作。其中Christina Kurzthaler与赵永峰主要承担了该技术的理论构建与数据分析，Vincent Martinez与Jana Schwarz-Linek主要承担了细菌培养与显微成像实验，周楠在工程菌构建和定量表征中作出了重要贡献。
相关文献：
[1] Christina Kurzthaler, Yongfeng Zhao, Nan Zhou, Jana Schwarz-Linek, Clemence Devailly, Jochen Arlt, Jian-Dong Huang, Wilson C. K. Poon, Thomas Franosch, Julien Tailleur, and Vincent A. Martinez, “Characterization and Control of the Run-and-Tumble Dynamics of Escherichia Coli”, Phys. Rev. Lett. 132, 038302 (2024).
[2] Yongfeng Zhao, Christina Kurzthaler, Nan Zhou, Jana Schwarz-Linek, Clemence Devailly, Jochen Arlt, Jian-Dong Huang, Wilson C. K. Poon, Thomas Franosch, Vincent A. Martinez, and Julien Tailleur, “Quantitative characterization of run-and-tumble statistics in bulk bacterial suspensions”, Phys. Rev. E 109, 014612 (2024).
[3] Katherine Wright, “Characterizing the Swimming Gait of a Bacterium”, Physics 17, s8 (2024).
[4] G. H. Wadhams and J. P. Armitage, “Making sense of it all: Bacterial chemotaxis”, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 1024 (2004).
[5] Chenli Liu, Xiongfei Fu, Lizhong Liu, Xiaojing Ren, Carlos K.L. Chau, Sihong Li, Lu Xiang, Hualing Zeng, Guanhua Chen, Lei-Han Tang, Peter Lenz, Xiaodong Cui, Wei Huang, Terence Hwa, Jian-Dong Huang, “Sequential establishment of stripe patterns in an expanding cell population”, Science 334, 238 (2011).
[6] Agnese I. Curatolo, Nan Zhou, Yongfeng Zhao, Chenli Liu, Adrian Daerr, Julien Tailleur, Jian-Dong Huang, “Cooperative pattern formation in multicomponent bacterial systems through reciprocal motility regulation”, Nat. Phys. 16, 1152 (2020).
[7] H. C. Berg and D. A. Brown, “Chemotaxis in Escherichia coli analysed by three-dimensional tracking”, Nature (London) 239, 500 (1972).