「刻」出你想要的：光遺傳學在生物膜上的新應用

生物膜 (biofilms) 泛指物體表面附著微生物群落的現象，常見於感染和海中人造物品的生物附著 (biofouling)，也是地表細菌主要的生活方式；近幾年的研究則將生物膜應用於廢水處理、建立合成微生物群落 (synthetic microbial consortia) [2]、固定化酶 (immobilized enzyme) 以及反向避免生物附著造成的污損等方面，賦予了這種看似不起眼、甚至造成某些損害的現象更多有趣的用途。

一組對此現象感興趣的團隊於 2018 年開發了一套名為 Biofilm Lithography 的工具 [1]，透過基因工程修改大腸桿菌，添加光驅動啟動子 (pDawn)、設計「光調控開關 (optogenetic switches)」，讓黏著蛋白 (Ag43) 能藉由光照調控；當以特定藍光投影圖案於培養皿下方時，在螢光顯微鏡下可觀察到、沿著圖案形成的生物膜 (厚度約 15 微米)，空間解析度達 25 微米。相比既有的細胞圖案化技術如噴墨印刷、微接觸印刷 (micro-contact printing) [3] 等，Biofilm Lithography 能在玻璃蓋玻片和聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 模板等材質上生成生物膜，也不需要針對不同材質作前處理、或先將圖案刻在模板上，在細胞圖案繪製或印刷上的技術有很大的突破。

本文介紹的工具 Biofilm Lithography 除了讓科學家於實驗之餘欣賞生物膜在生物美學 (BioArt) 方面的創作、更了解生物膜的不同特性、應用於代謝工程 (metabolic engineering) 和製作微流體裝置外，在講求精準控制圖形的半導體製程步驟−「光刻 (photolithography)」[4] 當中，或許能藉此光遺傳學工具縮短製作時間和成本，達成更有效率的生產是值得期待的。

圖片說明：(A) 生物膜生成的圖案與對影的投影圖樣幾乎相同 (B) 生成之生物膜在 PBS buffer 環境下，可維持至少三天的穩定（C）三角形標記可觀察到生物膜的剝離，方形標記則可觀察到 mRFP 訊號的增強 圖片來源： https://doi.org/10.1073/pnas.1720676115

參考文獻：

1. Jin, X., & Riedel-Kruse, I. H. (2017). Biofilm Lithography: High-resolution cell patterning via optogenetic adhesin expression. doi:10.1101/226027
2. Brenner, K., You, L., & Arnold, F. H. (2008). Engineering microbial consortia: a new frontier in synthetic biology. Trends in Biotechnology, 26(9), 483-489. doi:10.1016/j.tibtech.2008.05.004
3. Xu, L., Robert, L., Ouyang, Q., Taddei, F., Chen, Y., Lindner, A. B., & Baigl, D. (2007). Microcontact Printing of Living Bacteria Arrays with Cellular Resolution. Nano Letters, 7(7), 2068-2072. doi:10.1021/nl070983z
4. Lathrop, J. W. (2013). The Diamond Ordnance Fuze Laboratory’s Photolithographic Approach to Microcircuits. IEEE Annals of the History of Computing, 35(1), 48-55. doi:10.1109/mahc.2011.83

撰文｜吳冠廷
審稿｜陳帝亢