Мутации являются движущей силой изменчивости и эволюции жизни. Теперь группа исследователей из Франции, использовала microfluidic устройство, которое позволяет одновременно наблюдать за сотнями индивидуальных клеток Escherichia coli, как они делятся и мутируют в ходе множественных циклов репликации. Это устройство названо "mother machine".

Одним из широко распространенных подходов к определению скорости мутаций во время нормального бактериального роста является метод накопление мутаций. Чтобы осуществить это, исследователи поддерживали культуры бактерий на пластинке агара, выбирали отдельные колонии и и помещали их снова и снова в течение 20 дней или около этого. Секвенирование и сравнение геномов исходной колонии и финальной колонией затем использовали. чтобы подсчитать количество мутаций на поколение.

"Проблемой является то, что вы можете анализировать очень небольшое количество выборок," говорит Uphoff. Кроме того, "существуют отклонения в терминах эффектов мутаций на приспособленность," говорит он. "Вы никогда не обнаружите чрезвычайно вредные или летальные мутации," объясняет он, "поскольку такие клетки никогда не растут, чтобы сформировать колонию."

Микробиолог и биофизик Lydia Robert из Jean Perrin Laboratory in Paris с колл. нашли способ обойти это отклонение. "Нам пришла идея, что с помощью microfluidics мы сможем сохранять одну клетку после каждого деления, независимо от её жизнеспособности и тем самым подавлять полностью действие естественного отбора," заявила она. Более того, система является высоко производительной (high-throughput-per chip), так что можно будет анализировать 1000 индивидуальных бактериальных клеток одновременно с помощью цейтраферной съемки под микроскопом.

Это устройство впервые было разработано Robert с коллегами в 2010, состоит из крупного канала, посредством которого поступает бульон для токов растущих бактерий, а перпендикулярно к этому серия тупо заканчивающихся микроканалов, каждый в микрон диаметром, точно соответствуя размеру бактерии, говорит Robert. "Они заплывают внутрь и застревают."

Застрявшие в конце каждого канала клетки являются "материскими" клетками. Их деления можно постоянно наблюдать, поскольку дочерние клетки вынуждены оказываться внутри и вне микроканалов, в конечном итоге смываются прочь с помощью тока.

Чтобы подсчитать количество возникающих мутаций исследователи использовали бактерии, экспрессирующие флюоресцентно нагруженный mismatch repair белок, который соединяется с сайтами ошибочной репликации ДНК. Каждая репликацией индуцированная мутация выглядит как ярко желтая точка. Благодаря этим экспериментам приблизительно 200 делений наблюдали в течение трех дней, и было подсчитано, что мутации у E. coli возникают приблизительно одна каждые 20 дней. Также отмечено, что мутации стремятся появиться в виде устойчивого темпа, чем в виде взрывов.

В отдельных экспериментах группа анализировала рост фенотипов бактерий снова спустя 200 делений и затем возникала известная скорость мутаций с учётом эффектов на приспособленность. они установили, что 1% мутаций был летальным и что большинство из оставшихся не летальный мутаций были квази-нейтральными, уменьшающие рост в среднем на 0.3%.

Были также исследованы линии E. coli, склонные к высоким скоростям возникновения или к разным типам мутаций, и было установлено, хотя и появляется больше мутаций, но линии всё ещё обладают равномерно распределенными частотами, с пропорциональным тем же самым распределением эффектов на приспособленность.

"Итак, мы обнаружили, мутации [стремятся быть] значительно более нейтральные, чем предполагалось ранее," говорит Marina Elez.

Результаты данного исследования послужат в качестве основы при исследовании мутаций при ряде условий, у бактерий с разным генетическим фоном или в присутствии антибиотиков. Скорее всего, технология эта будет приспособлена к ряду разных клеток, что позволит расширить исследования по мутационной динамике.