《Lab on a Chip》：Controlling spatial structure in minimal microbial communities by sequential capillary assembly
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本文开发了一种基于序贯毛细管组装（sCAPA）的高通量微生物空间定位技术，结合纳米抗体功能化颗粒实现了金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的微米级精准共培养。该平台为研究微生物社会互作（如群体感应、毒素竞争）与空间结构的关联提供了新范式，填补了现有技术在高通量（~105单元/模板）单细胞精度操控方面的空白。
序贯毛细管组装控制微生物群落空间结构
引言
微生物在表面附着群落中常与邻近微生物发生社会互作，而空间结构被认为是影响这些互作的关键因素。然而，现有实验平台难以在微米尺度实现微生物空间结构的精准控制，限制了人们对空间结构与群落发育关系的认知。本研究通过序贯毛细管组装技术，结合纳米抗体功能化颗粒，建立了高通量、单细胞精度的微生物空间定位方法。
结果
胶体颗粒的空间结构调控
sCAPA技术通过控制颗粒悬浮液在含陷阱阵列的PDMS模板上的蒸发方向，实现了微米级颗粒的定向沉积。研究采用楔形陷阱设计，通过改变沉积方向选择性捕获相同尺寸不同功能的颗粒。实验表明，该技术可精准构建空间自相关指数Moran's I从-1（完美负相关）到0.75（斑块状分布）的多种空间构型，沉积正确率达86.3±5.4%。
纳米抗体介导的细菌特异性结合
通过将靶向金黄色葡萄球菌蛋白A的合成纳米抗体SbF1、靶向大肠杆菌外膜蛋白A短亚型（OmpA-short）的Nb01和长亚型（OmpA-long）的Nb41与颗粒偶联，实现了菌株特异性结合。其中SbF1和Nb01可引起大型细菌-颗粒聚集，而Nb41结合效率较低但特异性良好。交叉实验验证了结合体系的高选择性。
sCAPA沉积后的靶向细胞结合与生长
沉积纳米抗体颗粒后，用牛血清蛋白（BSA）钝化PDMS表面，加入细菌悬浮液实现特异性结合。将PBS替换为胰蛋白胨大豆琼脂（TSA）后，可在显微镜下持续观测微菌落生长。图像分析显示，各菌株在颗粒上的生长率接近100%，但单个颗粒结合细菌数量差异显著：金黄色葡萄球菌达9.07±0.08个/颗粒，而两种大肠杆菌分别为3.52±0.05和2.19±0.03个/颗粒。菌落生长动力学与液体培养结果一致，证实该方法对细菌活性无显著影响。
成对互作细菌的空间结构控制
通过两次沉积不同纳米抗体颗粒，成功构建了Moran's I为-1和0.75的两种大肠杆菌共培养体系，以及金黄色葡萄球菌与大肠杆菌1:24的异质群落。加热步骤（模板表面87±1°C）虽能增强颗粒粘附，但重复加热会导致纳米抗体活性下降，限制该技术最多进行3次沉积。结合效率分析表明，空间构型误差主要源于颗粒沉积而非细菌结合过程。
讨论
本研究通过sCAPA技术与纳米抗体结合，突破了微生物空间操控的尺度限制，实现了单细胞精度的多菌株空间编程。楔形陷阱设计扩展了同尺寸颗粒的沉积维度，而纳米抗体靶向策略为研究微生物互作的长度尺度效应提供了新工具。未来可通过开发新型粘附化学方法减少加热步骤依赖，进一步扩展物种容量。该技术为解析空间结构在微生物共存、竞争与协作中的作用机制奠定了方法学基础。
材料与方法
PDMS模板通过双光子聚合3D打印制备，颗粒经链霉亲和素功能化后与PEG11-生物素-马来酰亚胺连接的纳米抗体偶联。细菌菌株通过染色体整合荧光蛋白（mNeonGreen/mScarlet）和质粒表达OmpA-long进行工程化改造。生长实验在37°C显微镜培养系统中进行，通过自定义MATLAB算法分析菌落生长动力学。所有数据与代码公开于苏黎世联邦理工学院研究数据库。
