近日，Science雜誌發表了一項重大的突破性成果：一種被稱為「Mother Machine」的裝置使實時觀察單個細菌細胞中的突變形成（mutagenesis）成為了可能。研究還證實，突變比人們先前認為的更中性。
圖片來源：Science（DOI: 10.1126/science.aan0797）
突變是生命變化和進化的驅動力。然而，先前大多數已知的關於突變動力學的知識都是基於間接測量的推理。現在，在題為「Mutation dynamics and fitness effects followed in single cells」的論文中，來自法國的一個科學家小組開發了一種微流體裝置，可以同時觀察數百個單獨的大腸桿菌細胞在多個複製周期中的分裂和突變。
未參與該研究的、瑞士蘇黎世聯邦理工學院的分子微生物生態學家Martin Ackermann說：「突變對生物學至關重要。一方面，它們是進化革新以及地球上生命多樣性的基礎；另一方面，它們也是我們所面臨的一些最緊迫的醫學問題的根源。因此，了解突變發生的時間和它們對生物體的影響是生物學的一個中心目標。而這項新研究朝著這個目標邁出了一大步。」
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牛津大學研究細菌突變形成（mutagenesis）的Stephan Uphoff博士對此表示贊同。他說：「這是一篇令人興奮的論文，它結合了新的方法和重要的問題，即，突變形成的動力學是什麼，以及突變對健康有何影響？」
據Uphoff博士介紹，在正常細菌生長期間檢測突變率的一個常用方法是做一個突變積累試驗（mutation accumulation assay）。為了實現這一點，研究人員在瓊脂平板（agar plate）上對一個細菌進行劃線培養（streak a bacterial culture），挑出一個單菌落，再劃線（streak），再挑一次，再劃線，這樣持續20天左右。對原始菌落和最終菌落的基因組進行測序和對比，能夠用來計算每一代的突變數量。
這種方法的問題是，研究人員能夠分析的樣本數量相當少。此外，科學家們所觀察到的突變對健康的影響是有偏差的。「你永遠不會看到高度有害或致命的突變，因為這些細胞永遠不會形成一個菌落。」Uphoff博士解釋道。
在這項最新發表的研究中，微生物學家/生物物理學家Lydia Robert及其同事找到了消除上述偏差的方法。她說：「我們的想法是，利用微流體技術，我們能夠在每次細胞分裂後保留一個細胞，不依賴於它的健康，從而阻止自然選擇的作用。此外，基於微流體的這一系統是高通量的，我們可以通過顯微鏡下的延時成像同時分析1000個單獨的細菌細胞。」
Robert說：「它們在裡面『遊泳』，然後被卡住。」L. ROBERT ET AL., SCIENCE (2018)
Robert等在2010年開發了這個被稱為Mother Machine的裝置。首先，它包含一個大通道，細菌生長所需的培養基通過該通道流動；此外，一連串的終端微通道（dead-end microchannels）垂直於這一大通道。微通道的直徑為1微米大小，剛剛好是一個細菌的尺寸（上圖）。卡在每個通道末端的細胞是「母」細胞（「mother」 cells），它們的分裂能夠被持續觀察。
為了計算突變發生的數量，研究小組使用了表達一種螢光標記錯配修復蛋白（該蛋白會與複製錯誤的DNA位點結合）的細菌。每一個複製引起的突變都顯示為一個亮黃色的斑點（下圖）。通過這些實驗，研究人員估計，大腸桿菌的突變大約每20天發生一次。他們還指出，突變傾向於以穩定的速度發生，而不是爆發式發生。
Bacteria in the mother machine showing replication mutations
MARINA ELEZ AND JEAN OLLION
在不同的實驗中，研究小組分析了細菌的生長表型，然後應用已知的突變率來計算對健康的影響。最終，他們確定，1%的突變是致命的，剩餘非致命的突變中大多數是準中性的（quasi-neutral）。
科學家們還調查了傾向於有更高突變率和不同突變類型的大腸桿菌菌株。結果發現，儘管發生了更多的突變，但這類菌株依然表現出了一種勻速的（even-paced）突變頻率，且影響健康的突變比例也是相同的。
論文的共同通訊作者Marina Elez總結道：「基本上，我們發現，突變比人們先前認為的更中性。」
Uphoff博士認為，這一發現為在更多的條件下調查突變提供了基礎，如，調查具有不同遺傳背景的細菌，或在抗生素存在的情況下進行研究。
而Robert強調，更重要的是，這項技術很可能「能夠適用於許多不同的細胞」，這將進一步擴大研究突變動力學的範圍。
參考資料：1）Monitoring Mutations with Microfluidics
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