לעבן אין הויך טעמפּעראַטורעס באמערקט אין וויטראָ מיט לאַזער-העאַטעד גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס

דאנק איר פֿאַר באזוכן Nature.com. דער בלעטערער ווערסיע איר נוצן האט לימיטעד CSS שטיצן. פֿאַר דער בעסטער דערפאַרונג, מיר רעקאָמענדירן אַז איר נוצן אַ דערהייַנטיקט בלעטערער (אָדער דיסייבאַל קאַמפּאַטאַבילאַטי מאָדע אין Internet Explorer). אין דער דערווייל, צו ענשור פארבליבן שטיצן, מיר וועלן מאַכן דעם פּלאַץ אָן סטיילז און דזשאַוואַסקריפּט.
טהערמאָפילעס זענען מייקראָואָרגאַניזאַמז וואָס טרייוו ביי הויך טעמפּעראַטורעס. לערנען זיי קענען צושטעלן ווערטפול אינפֿאָרמאַציע וועגן ווי לעבן אַדאַפּץ צו עקסטרעם טנאָים. אָבער, עס איז שווער צו דערגרייכן הויך טעמפּעראַטור טנאָים מיט קאַנווענשאַנאַל אָפּטיש מיקראָסקאָפּעס. עטלעכע היים-געמאכט סאַלושאַנז באזירט אויף היגע רעסיסטיווע עלעקטריקאַל באַהיצונג זענען פארגעלייגט, אָבער עס איז קיין פּשוט געשעפט לייזונג. אין דעם פּאַפּיר, מיר באַקענען דעם באַגריף פון מיקראָסקאַלע לאַזער באַהיצונג איבער די מיקראָסקאָפּ פעלד פון מיינונג צו צושטעלן הויך טעמפּעראַטורעס פֿאַר טהערמאָפילע שטודיום און בעכעסקעם די באַניצער ס סוויווע מילד. מיקראָסקאַלע באַהיצונג מיט מעסיק לאַזער ינטענסיטי קענען זיין אַטשיווד מיט אַ גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלע קאָוטאַד סאַבסטרייט ווי אַ בייאָוקאַמפּאַטאַבאַל און עפעקטיוו ליכט אַבזאָרבער. מעגלעך יפעקץ פון מיקראָסקאַלע פליסיק קאַנוועקשאַן, צעל ריטענשאַן און סענטריפוגאַל טהערמאָפאָרעטיק באַוועגונג זענען דיסקאַסט. דער אופֿן איז דעמאַנסטרייטיד אין צוויי מינים: (י) Geobacillus stearothermophilus, אַן אַקטיוו טערמאָפיליק באַקטיריאַ וואָס ריפּראַדוסט ביי וועגן 65 ° C, וואָס מיר האָבן באמערקט צו דזשערמאַנייט, וואַקסן און שווימען אונטער מיקראָסקאַלע באַהיצונג; (ii) Thiobacillus sp., אַן אָפּטימאַללי כייפּערטהעמאָפיליק אַרטשאַעאַ. ביי 80 °C. די אַרבעט פּאַוועס דעם וועג פֿאַר פּשוט און זיכער אָבסערוואַציע פון ​​טהערמאָפיליק מייקראָואָרגאַניזאַמז מיט מאָדערן און אַפאָרדאַבאַל מיקראָסקאָפּי מכשירים.
איבער ביליאַנז פון יאָרן, לעבן אויף דער ערד איז יוואַלווד צו אַדאַפּט צו אַ ברייט קייט פון ינווייראַנמענאַל טנאָים וואָס זענען מאל געהאלטן עקסטרעם פֿון אונדזער מענטש פּערספּעקטיוו. אין באַזונדער, עטלעכע טהערמאָפיליק מייקראָואָרגאַניזאַמז (באַקטיריאַ, אַרטשאַעאַ, פאַנדזשיי) גערופן טערמאָפילעס טרייוו אין די טעמפּעראַטור קייט פון 45°C צו 122°C1, 2, 3, 4. טהערמאָפילעס לעבן אין פאַרשידן יקאָוסיסטאַמז, אַזאַ ווי טיף ים הידראָטהערמאַל ווענץ, הייס ספּרינגס. אָדער וואַלקאַניק געביטן. זייער פאָרשונג האט דזשענערייטאַד אַ פּלאַץ פון אינטערעס אין די לעצטע עטלעכע יאָרצענדלינג פֿאַר בייַ מינדסטער צוויי סיבות. ערשטער, מיר קענען לערנען פון זיי, למשל, ווי טערמאָפילעס 5, 6, ענזימעס 7, 8 און מעמבריינז 9 זענען סטאַביל אין אַזאַ הויך טעמפּעראַטורעס, אָדער ווי טערמאָפילעס קענען וויטסטאַנד עקסטרעם לעוועלס פון ראַדיאַציע10. צווייטנס, זיי זענען די יקער פֿאַר פילע וויכטיק ביאָטעטשנאָלאָגיקאַל פּראָגראַמען1,11,12 אַזאַ ווי ברענוואַרג פּראָדוקציע13,14,15,16, כעמישער סינטעז (דיהידראָ, אַלקאָהאָלס, מעטיין, אַמינאָ אַסאַדז, עטק.) 13 . אין באַזונדער, די דערווייַל באַוווסט פּאָלימעראַסע קייט רעאַקציע (PCR)19 ינוואַלווז אַן ענזיים (Taq פּאָלימעראַסע) אפגעזונדערט פון די טערמאָפיליק באַקטיריאַ Thermus aquaticus, איינער פון די ערשטער טהערמאָפילעס צו זיין דיסקאַווערד.
אָבער, די לערנען פון טהערמאָפילעס איז נישט אַן גרינג אַרבעט און קענען ניט זיין ימפּראַווייזד אין קיין בייאַלאַדזשיקאַל לאַבאָראַטאָריע. אין באַזונדער, לעבעדיק טהערמאָפילעס קענען ניט זיין באמערקט אין וויטראָ מיט קיין נאָרמאַל ליכט מיקראָסקאָפּ, אפילו מיט קאַמערשאַלי בנימצא באַהיצונג טשיימבערז, יוזשאַוואַלי רייטאַד פֿאַר טעמפּעראַטורעס ווי נידעריק ווי 40 ° סי. זינט די 1990 ס, בלויז אַ ביסל פאָרשונג גרופּעס האָבן דעדאַקייטאַד זיך צו די הקדמה פון הויך-טעמפּעראַטור מיקראָסקאָפּי (HTM) סיסטעמען. אין 1994 גלוך עט על. די באַהיצונג / קאָאָלינג קאַמער איז קאַנסיווד באזירט אויף די נוצן פון אַ פּעלטיער צעל וואָס קאָנטראָלס די טעמפּעראַטור פון רעקטאַנגגיאַלער קאַפּאַלעריז פֿאַרמאַכט צו טייַנען אַנעראָוביסאַטי 20 . דער מיטל קענען זיין העאַטעד צו 100 ° C מיט אַ קורס פון 2 ° C / s, אַלאַוינג די מחברים צו לערנען די מאָוטיליטי פון די כייפּערטהעמאָפיליק באַקטיריאַ Thermotoga maritima21. אין 1999 Horn et al. א זייער ענלעך מיטל איז דעוועלאָפּעד, נאָך באזירט אויף די נוצן פון העאַטעד קאַפּאַלעריז פּאַסיק פֿאַר געשעפט מיקראָסקאָפּי צו לערנען צעל אָפּטייל / פֿאַרבינדונג. נאָך אַ לאַנג צייט פון רעלאַטיוו ינאַקטיוויטי, די זוכן פֿאַר עפעקטיוו הטמס ריזומד אין 2012, ספּעציעל אין קשר מיט אַ סעריע פון ​​צייטונגען פון די Wirth גרופּע וואָס געניצט אַ מיטל ינווענטאַד דורך Horn et al. מיט פופצן יאָר צוריק, די מאָוטיליטי פון אַ גרויס נומער פון אַרטשאַעאַ, אַרייַנגערעכנט היפּערטהערמאָפילז, איז געלערנט ביי טעמפּעראַטורעס אַרויף צו 100 ° C ניצן העאַטעד קאַפּאַלעריז23,24. זיי אויך מאַדאַפייד דער אָריגינעל מיקראָסקאָפּ צו דערגרייכן פאַסטער באַהיצונג (עטלעכע מינוט אַנשטאָט פון 35 מינוט צו דערגרייכן די באַשטימט טעמפּעראַטור) און דערגרייכן אַ לינעאַר טעמפּעראַטור גראַדיענט פון מער ווי 2 סענטימעטער אַריבער די מיטל. דעם טעמפּעראַטור גראַדיענט פורעמונג מיטל (TGFD) איז גענוצט צו לערנען די מאָביליטי פון פילע טהערמאָפילעס אין טעמפּעראַטור גראַדיאַנץ ביי בייאַלאַדזשיקלי באַטייַטיק דיסטאַנסאַז 24, 25 .
באַהיצונג פֿאַרמאַכט קאַפּאַלעריז איז נישט דער בלויז וועג צו אָבסערווירן לעבן טהערמאָפילעס. אין 2012, Kuwabara et al. כאָוממייד דיספּאָוזאַבאַל פּירעקס טשיימבערז געחתמעט מיט היץ-קעגנשטעליק קלעפּיק (סופּער קס 2; סעמעדינע, יאַפּאַן) זענען געניצט. די סאַמפּאַלז זענען געשטעלט אויף אַ קאַמערשאַלי בנימצא טראַנספּעראַנט באַהיצונג טעלער (Micro Heat Plate, Kitazato Corporation, יאַפּאַן) וואָס איז ביכולת צו באַהיצונג אַרויף צו 110 ° C, אָבער נישט ערידזשנאַלי בדעה פֿאַר ביאָימאַגינג. די מחברים באמערקט עפעקטיוו אָפּטייל פון אַנעראָוביק טהערמאָפיליק באַקטיריאַ (טהערמאָסיפאָ גלאָביפאָרמאַנס, דאַבלינג צייט 24 מינוט) ביי 65 ° C. אין 2020, Pulshen et al. עפעקטיוו באַהיצונג פון געשעפט מעטאַל קיילים (AttofluorTM, Thermofisher) איז דעמאַנסטרייטיד מיט צוויי כאָוממייד באַהיצונג עלעמענטן: אַ דעקל און אַ בינע (פּקר מאַשין-ינספּייערד קאַנפיגיעריישאַן). דער פאַרבאַנד רעזולטאטן אין אַ מונדיר פליסיק טעמפּעראַטור און פּריווענץ יוואַפּעריישאַן און קאַנדאַנסיישאַן אין די דנאָ פון די דעקל. די נוצן פון אַ אָ-רינג אַוווידז גאַז וועקסל מיט די סוויווע. דעם HTM, גערופן די סולפאָסקאָפּע, איז געניצט צו בילד סולפאָלאָבוס אַסידאָקאַלדאַריוס ביי 75 ° C27.
א דערקענט באַגרענעצונג פון אַלע די סיסטעמען איז געווען די ריסטריקשאַן צו די נוצן פון לופט אַבדזשעקטיווז, קיין ייל טבילה איז ניט פּאַסיק פֿאַר אַזאַ הויך טעמפּעראַטור און פֿאַר ימידזשינג דורך> 1-מם דיק טראַנספּעראַנט סאַמפּאַלז. א דערקענט באַגרענעצונג פון אַלע די סיסטעמען איז געווען די ריסטריקשאַן צו די נוצן פון לופט אַבדזשעקטיווז, קיין ייל טבילה איז ניט פּאַסיק פֿאַר אַזאַ הויך טעמפּעראַטור און פֿאַר ימידזשינג דורך> 1-מם דיק טראַנספּעראַנט סאַמפּאַלז. Общепризнанным недостатком всех этих систем было ограничение на использование воздушных объектив, עס איז ניט מעגלעך צו ויסמעקן די 1. דיאַגנאָסיס און די 1. מאָס. א דערקענט כיסאָרן פון אַלע די סיסטעמען איז געווען די באַגרענעצונג צו די נוצן פון לופט אַבדזשעקטיווז, ווייַל קיין ייל טבילה איז נישט פּאַסיק פֿאַר אַזאַ הויך טעמפּעראַטור און פֿאַר וויזשוואַלאַזיישאַן דורך טראַנספּעראַנט סאַמפּאַלז> 1 מם דיק.所有这些系统的一个公认限制是限制使用空气物镜，任何油浸都限制是限制使用空气物镜，任何油浸都不适合跚物镜毫米厚的透明样品成像. א דערקענט באַגרענעצונג פון אַלע די סיסטעמען איז די באַגרענעצונג פון ניצן אַ לופט-ינטריינד שפּיגל, ווייַל קיין ייל טבילה איז ומפּאַסיק פֿאַר ימידזשינג טראַנספּעראַנט סאַמפּאַלז> 1 מם דיק אין אַזאַ הויך טעמפּעראַטורעס. Общепризнанным недостатком всех этих систем является ограниченное использование воздушных обюмектих ружение в масло непригодно для таких высоких температур и визуализации через прозрачные образные образные можное >1. א דערקענט שטערונג פון אַלע די סיסטעמען איז די לימיטעד נוצן פון לופט לענסעס, קיין ייל טבילה איז ומפּאַסיק פֿאַר אַזאַ הויך טעמפּעראַטורעס און וויזשוואַלאַזיישאַן דורך טראַנספּעראַנט סאַמפּאַלז> 1 מם דיק.מער לעצטנס, די באַגרענעצונג איז אויפגעהויבן דורך Charles-Orzag et al. 28, וואָס האט דעוועלאָפּעד אַ מיטל וואָס ניט מער צושטעלן היץ אַרום די סיסטעם פון אינטערעס, אָבער גאַנץ ין די דעקן גלאז זיך, באדעקט מיט אַ דין טראַנספּעראַנט שיכטע פון ​​אַ רעסיסטאָר געמאכט פון יטאָ (ינדיום-צין אַקסייד). דער דעקל קענען זיין העאַטעד צו 75 °C דורך פאָרן אַן עלעקטריש קראַנט דורך די טראַנספּעראַנט שיכטע. אָבער, דער מחבר מוזן אויך היץ די אָביעקטיוו צו די אָביעקטיוו, אָבער נישט מער ווי 65 °C, אַזוי נישט צו שעדיקן עס.
די ווערק ווייַזן אַז די אַנטוויקלונג פון עפעקטיוו הויך-טעמפּעראַטור אָפּטיש מיקראָסקאָפּי איז נישט וויידלי אנגענומען, אָפט ריקווייערז כאָוממייד עקוויפּמענט און איז אָפט אַטשיווד אין די קאָסט פון ספּיישאַל האַכלאָטע, וואָס איז אַ ערנסט כיסאָרן ווייַל טהערמאָפיליק מייקראָואָרגאַניזאַמז זענען נישט גרעסער ווי אַ ביסל. מיקראָמעטערס. רידוסט באַהיצונג באַנד איז דער שליסל צו סאַלווינג דריי טאָכיק פּראָבלעמס פון HTM: נעבעך ספּיישאַל האַכלאָטע, הויך טערמאַל ינערשאַ ווען די סיסטעם היץ אַרויף, און שעדלעך באַהיצונג פון אַרומיק עלעמענטן (טבילה ייל, אָביעקטיוו אָביעקטיוו ... אָדער באַניצער ס הענט) ביי עקסטרעם טעמפּעראַטורעס. ).
אין דעם פּאַפּיר, מיר פאָרשטעלן אַ HTM פֿאַר טהערמאָפילע אָבסערוואַציע וואָס איז נישט באזירט אויף רעסיסטיווע באַהיצונג. אַנשטאָט, מיר אַטשיווד לאָוקאַלייזד באַהיצונג אין אַ לימיטעד געגנט פון די מיקראָסקאָפּ ס מיינונג פעלד דורך לאַזער יריידייישאַן פון אַ ליכט-אַבזאָרבינג סאַבסטרייט. די טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג איז וויזשוואַלייזד מיט קוואַנטיטאַטיווע פאַסע מיקראָסקאָפּי (קפּם). די יפעקטיוונאַס פון דעם אופֿן איז דעמאַנסטרייטיד דורך Geobacillus stearothermophilus, אַ מאָטיל טערמאָפיליק באַקטיריאַ וואָס ריפּראַדוסיז ביי וועגן 65 ° C און האט אַ קורץ דאַבלינג צייט (וועגן 20 מינוט), און Sulfolobus shibatae, אַ היפּערטהערמאָפיל וואָס וואקסט אָפּטימאַללי ביי 80 ° C (אַרטשיע) צו אילוסטרירן. נאָרמאַל רעפּלאַקיישאַן קורס און שווימערייַ זענען באמערקט ווי אַ פֿונקציע פון ​​טעמפּעראַטור. דעם לאַזער הטם (LA-HTM) איז נישט לימיטעד דורך די גרעב פון די קאָווערסליפּ אָדער דורך די נאַטור פון די אָביעקטיוו (לופט אָדער ייל טבילה). דאָס אַלאַוז קיין הויך האַכלאָטע אָביעקטיוו אויף די מאַרק צו זיין געוויינט. עס אויך טוט נישט לייַדן פון פּאַמעלעך באַהיצונג רעכט צו טערמאַל ינערשאַ (אַטשיווז רעגע באַהיצונג אויף אַ מיליסעקאַנדיד וואָג) און ניצט בלויז קאמערשעל בנימצא קאַמפּאָונאַנץ. די בלויז נייַע זיכערקייַט קאַנסערנז זענען שייַכות צו די בייַזייַן פון שטאַרק לאַזער בימז (טיפּיקלי אַרויף צו 100 מוו) ין די מיטל און עפשער דורך די אויגן, וואָס דאַרפן פּראַטעקטיוו ברילן.
דער פּרינציפּ פון LA-HTM איז צו נוצן אַ לאַזער צו היץ די מוסטער לאָוקאַלי אין די מיינונג פון די מיקראָסקאָפּ (Fig. 1 אַ). צו טאָן דאָס, די מוסטער מוזן זיין ליכט-אַבזאָרבינג. צו נוצן אַ גלייַך לאַזער מאַכט (ווייניקער ווי 100 מוו), מיר האבן נישט פאַרלאָזנ אויף די אַבזאָרפּשאַן פון ליכט דורך די פליסיק מיטל, אָבער אַרטאַפישאַלי געוואקסן די אַבזאָרפּשאַן פון די מוסטער דורך קאָוטינג די סאַבסטרייט מיט גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס (Fig. 1c). באַהיצונג פון גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס מיט ליכט איז פון פונדאַמענטאַל וויכטיקייט פֿאַר די פעלד פון טערמאַל פּלאַזמאַניקס, מיט דערוואַרט אַפּלאַקיישאַנז אין ביאָמעדיסינע, נאַנאָטשעמיסטרי אָדער זונשייַן כאַרוואַסטינג29,30,31. אין די לעצטע יאָרן, מיר האָבן געוויינט דעם LA-HTM אין עטלעכע שטודיום שייַכות צו טערמאַל פּלאַזמע אַפּלאַקיישאַנז אין פיזיק, כעמיע און ביאָלאָגי. די הויפּט שוועריקייט מיט דעם אופֿן איז צו ווייַזן די לעצט טעמפּעראַטור פּראָפיל, ווייַל די עלעוואַטעד טעמפּעראַטור איז לימיטעד צו אַ מיקראָסקאַלע געגנט אין דער מוסטער. מיר האָבן געוויזן אַז טעמפּעראַטור מאַפּינג קענען זיין אַטשיווד מיט די פיר-ווייוולענגט טראַנזווערס שערן ינטערפעראָמעטער, אַ פּשוט, הויך-האַכלאָטע און זייער שפּירעוודיק מעטאָד פון קוואַנטיטאַטיווע פאַסע מיקראָסקאָפּי באזירט אויף די נוצן פון צוויי-דימענשאַנאַל דיפראַקשאַן גראַץ (אויך באקאנט ווי קרייַז גראַץ) 33,34,35,36. די רילייאַבילאַטי פון דעם טערמאַל מיקראָסקאָפּי טעכניק, באזירט אויף קראָסט גראַטינג וואַוועפראָנט מיקראָסקאָפּי (CGM), איז דעמאַנסטרייטיד אין אַ טוץ צייטונגען ארויס אין די לעצטע יאָרצענדלינג 37,38,39,40,41,42,43.
סכעמע פון ​​ייַנמאָנטירונג פון פּאַראַלעל לאַזער באַהיצונג, פורעמונג און טעמפּעראַטור מיקראָסקאָפּ. ב מוסטער דזשיאַמאַטרי קאַנסיסטינג פון אַ AttofluorTM קאַמער מיט אַ קאָווערסליפּ קאָוטאַד מיט גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס. c קוק ענג אין די מוסטער (ניט צו וואָג). ד רעפּראַזענץ די מונדיר לאַזער שטראַל פּראָפיל און (E) די סימיאַלייטיד סאַבסאַקוואַנט טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג אויף די מוסטער פלאַך פון די גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס. f איז אַן אַנאַלאַר לאַזער שטראַל פּראָפיל פּאַסיק פֿאַר דזשענערייטינג אַ מונדיר טעמפּעראַטור ווי געוויזן אין די סימיאַליישאַן פון די ריזאַלטינג טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג געוויזן אין (ג). וואָג באַר: 30 μם.
אין באַזונדער, מיר לעצטנס אַטשיווד באַהיצונג פון מאַממאַליאַן סעלז מיט LA-HTM און CGM און טראַקט סעליאַלער היץ קלאַפּ רעספּאָנסעס אין די קייט פון 37-42 ° C, דעמאַנסטרייטינג די אָנווענדלעך פון דעם טעכניק צו איין לעבעדיק צעל ימידזשינג. אָבער, די אַפּלאַקיישאַן פון LA-HTM צו לערנען פון מייקראָואָרגאַניזאַמז אין הויך טעמפּעראַטורעס איז נישט אַנאַמביגיואַס, ווייַל עס ריקווייערז מער וואָרענען קאַמפּערד מיט מאַממאַליאַן סעלז: ערשטער, באַהיצונג די דנאָ פון די מיטל מיט טענס פון דיגריז (אלא ווי אַ ביסל דיגריז) צו אַ שטאַרק ווערטיקאַל טעמפּעראַטור גראַדיענט. קענען מאַכן פליסיק קאַנוועקשאַן 44 וואָס, אויב נישט פעסט אַטאַטשט צו די סאַבסטרייט, קענען אָנמאַכן אַנדיזייראַבאַל באַוועגונג און מיקסינג פון באַקטיריאַ. דעם קאַנוועקשאַן קענען זיין ילימאַנייטאַד דורך רידוסינג די גרעב פון די פליסיק שיכטע. פֿאַר דעם צוועק, אין אַלע די יקספּעראַמאַנץ דערלאנגט אונטן, באַקטיריאַל סאַספּענשאַנז זענען געשטעלט צווישן צוויי קאָווערסליפּס בעערעך 15 μם דיק געשטעלט ין אַ מעטאַל גלעזל (אַטטאָפלואָר TM, טהערמאָפישער, Fig. 1b, C). אין פּרינציפּ, קאַנוועקשאַן קענען זיין אַוווידאַד אויב די גרעב פון די פליסיק איז קלענערער ווי די שטראַל גרייס פון די באַהיצונג לאַזער. צווייטנס, ארבעטן אין אַזאַ אַ לימיטעד דזשיאַמאַטרי קענען דערשטיקן עראָוביק אָרגאַניזאַמז (זען Fig. S2). דעם פּראָבלעם קענען זיין אַוווידאַד דורך ניצן אַ סאַבסטרייט וואָס איז פּערמיאַבאַל צו זויערשטאָף (אָדער קיין אנדערע וויטאַל גאַז), דורך לאָזן טראַפּט לופט באַבאַלז ין די קאָווערסליפּ, אָדער דורך דרילינג האָלעס אין די שפּיץ קאָווערסליפּ (זען Fig. S1) 45 . אין דעם לערנען, מיר אויסדערוויילט די יענער לייזונג (פיגורעס 1 ב און ס 1). צום סוף, לאַזער באַהיצונג טוט נישט צושטעלן מונדיר טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג. אפילו אין דער זעלביקער ינטענסיטי פון די לאַזער שטראַל (Fig. 1d), די טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג איז נישט מונדיר, אָבער גאַנץ ריזעמבאַלז די גאַוססיאַן פאַרשפּרייטונג רעכט צו טערמאַל דיפיוזשאַן (Fig. 1e). ווען דער ציל איז צו פעסטשטעלן גענוי טעמפּעראַטורעס אין די פעלד פון מיינונג פֿאַר לערנען בייאַלאַדזשיקאַל סיסטעמען, אַניוואַן פּראָופיילז זענען נישט ידעאַל און קענען אויך פירן צו טערמאָפאָרעטיק באַוועגונג פון באַקטיריאַ אויב זיי טאָן ניט אַדכיר צו די סאַבסטרייט (זען Fig. S3, S4)39. צו דעם סוף, מיר געוויינט אַ ספּיישאַל ליכט מאָדולאַטאָר (SLM) צו פאָרעם די ינפרערעד לאַזער שטראַל לויט די פאָרעם פון די רינג (Fig. 1f) אין די פלאַך פון דער מוסטער צו דערגרייכן אַ בישליימעס מונדיר טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג אין אַ געגעבן דזשיאַמעטריק געגנט, טראָץ טערמאַל דיפיוזשאַן (פיגורע 1 ד) 39, 42, 46. שטעלן אַ שפּיץ קאָווערסליפּ איבער אַ מעטאַל שיסל (פיגורע 1 ב) צו ויסמייַדן יוואַפּעריישאַן פון די מיטל און אָבסערווירן פֿאַר בייַ מינדסטער אַ ביסל טעג. ווייַל דעם שפּיץ קאָווערסליפּ איז נישט געחתמעט, נאָך מיטל קענען זיין לייכט מוסיף אין קיין צייט אויב נייטיק.
צו אילוסטרירן ווי LA-HTM אַרבעט און באַווייַזן זייַן אָנווענדלעך אין טהערמאָפיליק פאָרשונג, מיר געלערנט די עראָוביק באַקטיריאַ Geobacillus stearothermophilus, וואָס האָבן אַן אָפּטימום וווּקס טעמפּעראַטור פון אַרום 60-65 °C. די באַקטיריאַ אויך האט פלאַגעללאַ און די פיייקייט צו שווימען, פּראַוויידינג אן אנדער גראדן פון נאָרמאַל סעליאַלער טעטיקייט.
סאַמפּאַלז (Fig. 1b) זענען פאַר-ינקיובייטיד בייַ 60 ° C פֿאַר איין שעה און דעמאָלט געשטעלט אין אַ LA-HTM מוסטער האָלדער. די פאַר-ינגקיוביישאַן איז אַפּשאַנאַל, אָבער נאָך נוציק, פֿאַר צוויי סיבות: ערשטער, ווען די לאַזער איז פארקערט אויף, עס ז די סעלז צו גלייך וואַקסן און צעטיילן (זען פֿילם מ 1 אין סאַפּלאַמענערי מאַטעריאַלס). אָן פאַר-ינגקיוביישאַן, באַקטיריאַל וווּקס איז טיפּיקלי דילייד מיט וועגן 40 מינוט יעדער מאָל אַ נייַ וויוינג געגנט איז העאַטעד אויף די מוסטער. צווייטנס, די 1 שעה פאַר-ינגקיוביישאַן פּראָמאָטעד אַדכיזשאַן פון די באַקטיריאַ צו די קאָווערסליפּ, פּרעווענטינג סעלז פון דריפטינג אויס פון די מיינונג פעלד רעכט צו טהערמאָפאָרעסיס ווען די לאַזער איז פארקערט אויף (זען פילם מ 2 אין סופּפּלעמענטאַרי מאַטעריאַלס). טערמאָפאָרעסיס איז די באַוועגונג פון פּאַרטיקאַלז אָדער מאַלאַקיולז צוזאמען אַ טעמפּעראַטור גראַדיענט, יוזשאַוואַלי פון הייס צו קאַלט, און באַקטיריאַ זענען קיין ויסנעם43,47. די אַנדיזייראַבאַל ווירקונג איז ילימאַנייטאַד איבער אַ געגעבן געגנט דורך ניצן SLM צו פאָרעם די לאַזער שטראַל און דערגרייכן אַ פלאַך טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג.
אויף פ. פיגורע 2 ווייזט די טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג געמאסטן דורך קגם באקומען דורך יריידיייטינג אַ גלאז סאַבסטרייט קאָוטאַד מיט גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס מיט אַן אַניאַלער לאַזער שטראַל (Fig. 1f). א פלאַך טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג איז באמערקט איבער די גאנצע געגנט באדעקט דורך די לאַזער שטראַל. דעם זאָנע איז באַשטימט צו 65 ° C, די אָפּטימאַל וווּקס טעמפּעראַטור. אַרויס פון דעם געגנט, די טעמפּעראַטור ויסבייג פאַלן געוויינטלעך צו \(1/ר\) (ווו \(ר\) איז די ראַדיאַל קאָואָרדאַנאַט).
אַ טעמפּעראַטור מאַפּע פון ​​קגם מעזשערמאַנץ באקומען דורך ניצן אַ אַניאַלער לאַזער שטראַל צו יריידיייט אַ פּלאַסט פון גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס צו באַקומען אַ פלאַך טעמפּעראַטור פּראָפיל איבער אַ קייַלעכיק געגנט. ב יסאָטהערם פון די טעמפּעראַטור מאַפּע (אַ). די קאַנטור פון די לאַזער שטראַל איז רעפּריזענטיד דורך אַ גרוי דאַטיד קרייַז. דער עקספּערימענט איז ריפּיטיד צוויי מאָל (זען סופּפּלעמענטאַרי מאַטעריאַלס, פיגורע ס 4).
די ווייאַבילאַטי פון באַקטיריאַל סעלז איז מאָניטאָרעד פֿאַר עטלעכע שעה מיט LA-HTM. אויף פ. 3 ווייזט די צייט מעהאַלעך פֿאַר פיר בילדער גענומען פון אַ 3 שעה און 20 מינוט פֿילם (Movie M3, Supplementary Information). באַקטיריאַ זענען באמערקט צו אַקטיוולי פארשפרייטן אין די קייַלעכיק געגנט דיפיינד דורך די לאַזער ווו די טעמפּעראַטור איז געווען אָפּטימאַל, אַפּראָוטשינג 65 ° C. אין קאַנטראַסט, צעל גראָוט איז באטייטיק רידוסט ווען די טעמפּעראַטור געפאלן אונטער 50 ° C פֿאַר 10 ס.
אָפּטיש טיפקייַט בילדער פון דזשי סטעאַראָטהערמאָפילוס באַקטיריאַ גראָוינג נאָך לאַזער באַהיצונג אין פאַרשידענע צייט, (אַ) ה = 0 מין, (ב) 1 ה 10 מין, (C) 2 ה 20 מין, (ד) 3 ה 20 מין, אויס פון 200 יקסטראַקטיד פון אַ איין-מינוט פילם (M3 פילם צוגעשטעלט אין סאַפּלאַמענערי אינפֿאָרמאַציע) סופּעראַמפּאָוזד אויף די קאָראַספּאַנדינג טעמפּעראַטור מאַפּע. דער לאַזער טורנס אויף אין צייט \(ט=0\). יסאָטהערמס זענען צוגעגעבן צו די ינטענסיטי בילד.
צו ווייַטער קוואַנטיפיצירן צעל וווּקס און זייַן אָפענגיקייַט אויף טעמפּעראַטור, מיר געמאסטן די פאַרגרעסערן אין בייאַמאַס פון פאַרשידן קאָלאָניעס פון טכילעס אפגעזונדערט באַקטיריאַ אין די פֿילם מ 3 פעלד פון מיינונג (Fig. 4). די פאָטער באַקטיריאַ אויסגעקליבן אין די אָנהייב פון די פאָרמירונג פון מיני קאַלאַני פאָרמינג אַפּאַראַט (mCFU) זענען געוויזן אין פיגורע ס 6. טרוקן מאַסע מעזשערמאַנץ זענען גענומען מיט אַ CGM 48 אַפּאַראַט וואָס איז געניצט צו מאַפּע די טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג. די פיייקייט פון די CGM צו מעסטן טרוקן וואָג און טעמפּעראַטור איז די שטאַרקייט פון די LA-HTM. ווי דערוואַרט, הויך טעמפּעראַטור געפֿירט פאַסטער באַקטיריאַל וווּקס (פיגורע 4 אַ). ווי געוויזן אין די האַלב-לאָג פּלאַנעווען אין Fig. {{ \mbox{cst}}}\), ווו \(\tau {{{{{\rm{לאָג }}}}}}2\) - דור צייט (אָדער דאַבלינג צייט), \( ג = 1/ \tau\) - וווּקס קורס (נומער פון דיוויזשאַנז פּער אַפּאַראַט צייַט). אויף פ. 4c ווייזט די ריספּעקטיוו וווּקס קורס און דור צייט ווי אַ פֿונקציע פון ​​טעמפּעראַטור. שנעל-גראָוינג MCFUs זענען קעראַקטערייזד דורך זעטיקונג פון וווּקס נאָך צוויי שעה, אַ דערוואַרט נאַטור רעכט צו הויך באַקטיריאַל געדיכטקייַט (ענלעך צו די סטיישאַנערי פאַסע אין קלאסישע פליסיק קאַלטשערז). דער גענעראַל פאָרעם \(ג\לינקס (ה\רעכט)\) (פיג. 4ק) קאָראַספּאַנדז צו די דערוואַרט צוויי-פאַסע ויסבייג פֿאַר G. stearothermophilus מיט אַן אָפּטימאַל וווּקס קורס אַרום 60-65 ° C. גלייַכן די דאַטן ניצן אַ קאַרדינאַל מאָדעל (פיגורע ס 5) 49 ווו \(\ לינקס ({{G}_{0}{;\;T}}_{{\min}};{T}_{{אָפּט}} ;{T}_{{\max}}\right)\) = (0.70 ± 0.2; 40 ± 4; 65 ± 1.6; 67 ± 3) °C, וואָס שטימען געזונט מיט אנדערע וואַלועס סייטאַד אין דער ליטעראַטור49. כאָטש די טעמפּעראַטור אָפענגיק פּאַראַמעטערס זענען רעפּראָדוסיבלע, די מאַקסימום גראָוט קורס פון \({G}_{0}\) קען בייַטן פון איין עקספּערימענט צו אנדערן (זען פיגיערז S7-S9 און פֿילם מ4). אין קאַנטראַסט צו טעמפּעראַטור פּאַסן פּאַראַמעטערס, וואָס זאָל זיין וניווערסאַל, די מאַקסימום וווּקס קורס דעפּענדס אויף די פּראָפּערטיעס פון די מיטל (נוטריאַנץ אַוואַילאַביליטי, זויערשטאָף קאַנסאַנטריישאַן) אין די באמערקט מיקראָסקאַלע דזשיאַמאַטרי.
אַ מיקראָביאַל וווּקס אין פאַרשידן טעמפּעראַטורעס. mCFU: מיניאַטורע קאָלאָני פאָרמינג וניץ. דאַטן באקומען פון אַ ווידעא פון אַ איין באַקטיריאַ וואָס וואַקסן אין אַ טעמפּעראַטור גראַדיענט (מאָדע מ 3). ב זעלביקער ווי (אַ), האַלב-לאָגאַריטמיק וואָג. c גראָוט קורס \ (\ טאַו \) און דור צייט \ (ג\) קאַלקיאַלייטיד פון לינעאַר ראַגרעשאַן (ב). האָריזאָנטאַל טעות באַרס: טעמפּעראַטור קייט איבער וואָס mCFUs יקספּאַנדיד אין די פעלד פון מיינונג בעשאַס וווּקס. ווערטיקאַל טעות באַרס: לינעאַר ראַגרעשאַן נאָרמאַל טעות.
אין אַדישאַן צו נאָרמאַל וווּקס, עטלעכע באַקטיריאַ מאל פלאָוטיד אין מיינונג בעשאַס לאַזער באַהיצונג, וואָס איז אַ דערוואַרט נאַטור פֿאַר באַקטיריאַ מיט פלאַגעללאַ. דער פֿילם מ 5 אין נאָך אינפֿאָרמאַציע ווייזט אַזאַ שווימערייַ אַקטיוויטעטן. אין דעם עקספּערימענט, מונדיר לאַזער ראַדיאַציע איז געניצט צו שאַפֿן אַ טעמפּעראַטור גראַדיענט, ווי געוויזן אין פיגיערז 1ד, E און S3. פיגור 5 ווייזט צוויי בילד סיקוואַנסיז אויסגעקליבן פון די M5 פֿילם וואָס ווייַזן אַז איין באַקטיריאַ יגזיבאַץ דירעקטיאָנאַל באַוועגונג בשעת אַלע אנדערע באַקטיריאַ בלייבן באַוועגלעך.
די צוויי צייט ראָמען (אַ) און (ב) ווייַזן די שווימערייַ פון צוויי פאַרשידענע באַקטיריאַ אנגעצייכנט מיט דאַטיד קרייזן. די בילדער זענען יקסטראַקטיד פון די M5 פֿילם (צוגעשטעלט ווי סאַפּלאַמענטערי מאַטעריאַל).
אין דעם פאַל פון G. stearothermophilus, די אַקטיוו באַוועגונג פון באַקטיריאַ (פיגורע 5) אנגעהויבן אַ ביסל סעקונדעס נאָך די לאַזער שטראַל איז פארקערט אויף. דעם אָבסערוואַציע עמפאַסייזיז די צייַטווייַליק ענטפער פון דעם טערמאָפיליק מייקראָואָרגאַניזאַם צו אַ פאַרגרעסערן אין טעמפּעראַטור, ווי שוין באמערקט דורך Mora et al. 24 . די טעמע פון ​​​​באַקטיריאַל מאָוטיליטי און אפילו טהערמאָטאַקסיס קענען זיין ווייַטער יקספּלאָרד מיט LA-HTM.
מייקראָוביאַל שווימערייַ זאָל ניט זיין צעמישט מיט אנדערע טייפּס פון גשמיות באַוועגונג, ניימלי (i) בראַוניאַן באַוועגונג, וואָס איז אַ כאַאָטיש באַוועגונג מיט קיין באַשטימט ריכטונג, (ii) קאַנוועקשאַן 50 און טערמאָפאָרעסיס 43, קאַנסיסטינג אין אַ רעגולער דריפט פון באַוועגונג צוזאמען אַ טעמפּעראַטור. גראַדיענט.
G. stearothermophilus איז באַוווסט פֿאַר זייַן פיייקייט צו פּראָדוצירן העכסט קעגנשטעליק ספּאָרז (ספּאָר פאָרמירונג) ווען יקספּאָוזד צו אַדווערס ינווייראַנמענאַל טנאָים ווי אַ פאַרטיידיקונג. ווען ינווייראַנמענאַל טנאָים ווערן גינציק ווידער, די ספּאָרז דזשערמאַנייט, פאָרמינג לעבעדיק סעלז און ריזומינג וווּקס. כאָטש דעם ספּאָרולאַטיאָן / דזשערמאַניישאַן פּראָצעס איז באַוווסט, עס איז קיינמאָל באמערקט אין פאַקטיש צייט. ניצן LA-HTM, מיר באַריכט דאָ דער ערשטער אָבסערוואַציע פון ​​​​דזשערמאַניישאַן געשעענישן אין G. stearothermophilus.
אויף פ. 6 אַ ווייַזן צייט-לויפן בילדער פון אָפּטיש טיפקייַט (אָט) באקומען מיט אַ CGM גאַנג פון 13 ספּאָרז. פֿאַר די גאנצע זאַמלונג צייט (15 ה 6 מין, \(ט=0\) - דער אָנהייב פון לאַזער באַהיצונג), 4 פון 13 ספּאָרז דזשערמאַנייטיד, אין סאַקסעסיוו צייט ווייזט \(ט=2\) ה, \(3\ ) ה \(10 \)', \(9\) ה \(40\)' און \(11\) ה \(30\)'. כאָטש בלויז איינער פון די געשעענישן איז געוויזן אין פיגורע 6, 4 דזשערמאַניישאַן געשעענישן קענען זיין באמערקט אין די M6 פֿילם אין די סאַפּלאַמענטערי מאַטעריאַל. ינטערעסטינגלי, דזשערמאַניישאַן אויס צו זיין טראַפ: ניט אַלע ספּאָרז דזשערמאַנייט און טאָן ניט דזשערמאַנייט אין דער זעלביקער צייט, טראָץ די זעלבע ענדערונגען אין ינווייראַנמענאַל טנאָים.
אַ צייט-לויפן קאַנסיסטינג פון 8 אָט בילדער (ייל טבילה, 60 קס, 1.25 NA אָביעקטיוו) און (ב) בייאַמאַס עוואָלוציע פון ​​G. stearothermophilus אַגראַגייץ. c (b) ציען אויף אַ האַלב-לאָג וואָג צו הויכפּונקט די לינעאַריטי פון די גראָוט קורס (דאַשט שורה).
אויף פ. 6b, c ווייזט די בייאַמאַס פון צעל פּאַפּיאַליישאַנז אין די פעלד פון מיינונג ווי אַ פונקציע פון ​​​​צייַט איבער די גאנצע צייט פון דאַטן זאַמלונג. דער שנעלער פארפאלגונג פון דער טרוקענער מאסע באמערקט ביי \(ט=5\)ה אין פ. 6ב, C, רעכט צו דער אַרויסגאַנג פון עטלעכע סעלז פון די פעלד פון מיינונג. דער וווּקס קורס פון די פיר געשעענישן איז \(0.77\pm 0.1\) ה-1. דעם ווערט איז העכער ווי די גראָוט קורס פֿאַרבונדן מיט פיגורע 3. 3 און 4, ווו סעלז וואַקסן נאָרמאַלי. די סיבה פֿאַר די געוואקסן וווּקס קורס פון G. stearothermophilus פון ספּאָרז איז ומקלאָר, אָבער די מעזשערמאַנץ הויכפּונקט די אינטערעס פון LA-HTM און אַרבעט אויף די איין צעל מדרגה (אָדער אין די איין mCFU מדרגה) צו לערנען מער וועגן די דינאַמיק פון צעל לעבן .
צו ווייַטער באַווייַזן די ווערסאַטילאַטי פון LA-HTM און זייַן פאָרשטעלונג אין הויך טעמפּעראַטורעס, מיר יגזאַמאַנד די גראָוט פון Sulfolobus shibatae, אַ כייפּערטהערמאָפיליליק אַסידאָפיליק אַרטשאַעאַ מיט אַן אָפּטימום וווּקס טעמפּעראַטור פון 80 ° C51. קאַמפּערד מיט G. stearothermophilus, די אַרטשאַעאַ אויך האָבן אַ זייער אַנדערש מאָרפאָלאָגי, ריזעמבאַלינג 1 מייקראַן ספערעס (קאָקסי) אלא ווי ילאָנגגייטאַד ראַדז (באַסילי).
פיגורע 7 אַ באשטייט פון סאַקווענטשאַל אָפּטיש טיפקייַט בילדער פון S. shibatae mCFU באקומען ניצן CGM (זען M7 שטריך פילם אין סאַפּלאַמענערי מאַטעריאַלס). דעם mCFU וואקסט אַרום 73 ° C, אונטער די אָפּטימום טעמפּעראַטור פון 80 ° C, אָבער אין די טעמפּעראַטור קייט פֿאַר אַקטיוו וווּקס. מיר האָבן באמערקט קייפל פיסיאָן געשעענישן וואָס געמאכט mCFUs קוקן ווי מיקראָגראַפּעס פון אַרטשאַעאַ נאָך אַ ביסל שעה. פֿון די אָט בילדער, mCFU בייאַמאַס איז געמאסטן איבער צייט און דערלאנגט אין פיגורע 7ב. ינטערעסטינגלי, S. shibatae mCFUs געוויזן לינעאַר וווּקס אלא ווי די עקספּאָונענשאַל וווּקס געזען מיט G. stearothermophilus mCFUs. עס איז געווען אַ לאַנג-שטייענדיק דיסקוסיע 52 וועגן די נאַטור פון צעל גראָוט רייץ: בשעת עטלעכע שטודיום באַריכט גראָוט רייץ פון מייקראָובז וואָס זענען פּראַפּאָרשאַנאַל צו זייער גרייס (עקספּאָונענטיאַל גראָוט), אנדערע ווייַזן אַ קעסיידערדיק קורס (לינעאַר אָדער ביילינעאַר גראָוט). ווי דערקלערט דורך Tzur et al.53, דיסטינגגווישינג צווישן עקספּאָונענשאַל און (ביי) לינעאַר וווּקס ריקווייערז אַ פּינטלעכקייַט פון <6% אין בייאַמאַס מעזשערמאַנץ, וואָס איז נישט דערגרייכן פֿאַר רובֿ QPM טעקניקס, אפילו ינוואַלווינג ינטערפעראָמעטרי. ווי דערקלערט דורך Tzur et al.53, דיסטינגגווישינג צווישן עקספּאָונענשאַל און (ביי) לינעאַר וווּקס ריקווייערז אַ פּינטלעכקייַט פון <6% אין בייאַמאַס מעזשערמאַנץ, וואָס איז נישט דערגרייכן פֿאַר רובֿ QPM טעקניקס, אפילו ינוואַלווינג ינטערפעראָמעטרי. ווי צו פאַרגרעסערן די סומע פון ​​​​53, איר קענען באַקומען אַ סכום פון 6% און (בייַ) לימענע טריביאַן достижимо для большинства методов QPM, даже с использованием интерферометрии. ווי דערקלערט דורך Zur et al.53, דיסטינגגווישינג צווישן עקספּאָונענשאַל און (ביי) לינעאַר גראָוט ריקווייערז <6% אַקיעראַסי אין בייאַמאַס מעזשערמאַנץ, וואָס איז אַנאַטייינאַבאַל פֿאַר רובֿ QPM מעטהאָדס, אפילו ניצן ינטערפעראָמעטרי.ווי דערקלערט דורך צור עט על. 53, דיסטינגגווישינג צווישן עקספּאָונענשאַל און (ביי) לינעאַר גראָוט ריקווייערז ווייניקער ווי 6% אַקיעראַסי אין בייאַמאַס מעזשערמאַנץ, וואָס איז אַנאַטייינאַבאַל פֿאַר רובֿ QPM מעטהאָדס, אפילו ווען ינטערפעראָמעטרי איז געניצט. CGM אַטשיווז דעם אַקיעראַסי מיט סאַב-פּג אַקיעראַסי אין בייאַמאַס מעזשערמאַנץ36,48.
אַ צייט-לויפן קאַנסיסטינג פון 6 אָט בילדער (ייל טבילה, 60 קס, NA אָביעקטיוו 1.25) און (ב) מיקראָ-CFU בייאַמאַס עוואָלוציע געמאסטן מיט קגם. זען פֿילם M7 פֿאַר מער אינפֿאָרמאַציע.
די בישליימעס לינעאַר וווּקס פון S. shibatae איז געווען אומגעריכט און איז נאָך נישט געמאלדן. אָבער, עקספּאָונענשאַל וווּקס איז געריכט, לפּחות ווייַל איבער צייַט, קייפל דיוויזשאַנז פון 2, 4, 8, 16 ... סעלז מוזן פּאַסירן. מיר כייפּאַטאַסייזד אַז לינעאַר וווּקס קען זיין רעכט צו צעל ינאַבישאַן רעכט צו געדיכט צעל פּאַקינג, פּונקט ווי צעל גראָוט סלאָוז אַראָפּ און יווענטשאַוואַלי ריטשאַז אַ דאָרמאַנט שטאַט ווען צעל געדיכטקייַט איז צו הויך.
מיר פאַרענדיקן דורך דיסקוטירן די פאלגענדע פינף פונקטן פון אינטערעס אין דרייַ: רעדוקציע אין באַהיצונג באַנד, רעדוקציע אין טערמאַל ינערשאַ, אינטערעס אין גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס, אינטערעס אין קוואַנטיטאַטיווע פאַסע מיקראָסקאָפּי, און אַ מעגלעך טעמפּעראַטור קייט אין וואָס LA-HTM קענען זיין געוויינט.
קאַמפּערד מיט רעסיסטיווע באַהיצונג, לאַזער באַהיצונג געניצט פֿאַר HTM אַנטוויקלונג אָפפערס עטלעכע אַדוואַנטידזשיז, וואָס מיר אילוסטרירן אין דעם לערנען. אין באַזונדער, אין פליסיק מידיאַ אין די מיינונג פון די מיקראָסקאָפּ, די באַהיצונג באַנד איז געהאלטן אין אַ ביסל (10 μm) 3 וואַליומז. אין דעם וועג, בלויז די באמערקט מייקראָובז זענען אַקטיוו, בשעת אנדערע באַקטיריאַ זענען דאָרמאַנט און קענען זיין געוויינט צו ווייַטער לערנען די מוסטער - עס איז ניט דאַרפֿן צו טוישן די מוסטער יעדער מאָל אַ נייַע טעמפּעראַטור דאַרף זיין אָפּגעשטעלט. אין אַדישאַן, מיקראָסקאַלע באַהיצונג אַלאַוז דירעקט דורכקוק פון אַ גרויס קייט פון טעמפּעראַטורעס: פיגורע 4ק איז באקומען פון אַ 3-שעה פֿילם (Movie M3), וואָס יוזשאַוואַלי ריקווייערז די צוגרייטונג און דורכקוק פון עטלעכע סאַמפּאַלז - איינער פֿאַר יעדער פון די סאַמפּאַלז אונטער לערנען. י איז די טעמפּעראַטור רעפּריזענטינג די נומער פון טעג אין דער עקספּערימענט. רידוסינג די העאַטעד באַנד אויך האלט אַלע די אַרומיק אָפּטיש קאַמפּאָונאַנץ פון די מיקראָסקאָפּ, ספּעציעל די אָביעקטיוו אָביעקטיוו, אין צימער טעמפּעראַטור, וואָס איז געווען אַ הויפּט פּראָבלעם פייסט דורך די קהל ביז איצט. LA-HTM קענען זיין געוויינט מיט קיין אָביעקטיוו, אַרייַנגערעכנט ייל טבילה לענסעס, און וועט בלייבן אין צימער טעמפּעראַטור אפילו מיט עקסטרעם טעמפּעראַטורעס אין די מיינונג. די הויפּט באַגרענעצונג פון די לאַזער באַהיצונג אופֿן וואָס מיר באַריכט אין דעם לערנען איז אַז סעלז וואָס טאָן ניט אַדכיר אָדער לאָזנ שווימען קען זיין ווייַט פון די פעלד פון מיינונג און שווער צו לערנען. א וואָרקאַראָונד קען זיין צו נוצן נידעריק מאַגנאַפאַקיישאַן לענסעס צו דערגרייכן אַ גרעסערע טעמפּעראַטור העכערונג אין וידעפדיק פון עטלעכע הונדערט מייקראַנז. דעם וואָרענען איז באגלייט דורך אַ פאַרקלענערן אין ספּיישאַל האַכלאָטע, אָבער אויב דער ציל איז צו לערנען די באַוועגונג פון מייקראָואָרגאַניזאַמז, הויך ספּיישאַל האַכלאָטע איז נישט פארלאנגט.
די צייט וואָג פֿאַר באַהיצונג (און קאָאָלינג) די סיסטעם \({{{{\rm{\rm{\tau}}}}}}}_{{{\mbox{D}}}}\) דעפּענדס אויף זייַן גרייס, לויט די געזעץ \({{{({\rm{\tau}}}}}}}_{{{\mbox{D}}}}={L}^{2}/D\), (L\ ) איז די כאַראַקטעריסטיש גרייס פון די היץ מקור (דער דיאַמעטער פון די לאַזער שטראַל אין אונדזער לערנען איז \(L\ וועגן 100\) μm), \(D\) איז די טערמאַל דיפיוזיוואַטי פון די סוויווע (דורכשניטלעך אין אונדזער פאַל, גלאז און וואַסער דיפיוזשאַן קורס\(ד\ וועגן 2\פאַרלייגן {10}^{-7}\) מ 2 / s. טעמפּעראַטור ענדערונגען, קענען זיין דערוואַרט דעם ינסטאַנטאַניאַס פאַרלייגן פון טעמפּעראַטור העכערונג ניט בלויז פאַרקירצן די געדויער פון דער עקספּערימענט, אָבער אויך אַלאַוז גענוי טיימינג \(ט=0\) פֿאַר קיין דינאַמיש לערנען פון טעמפּעראַטור יפעקץ.
אונדזער פארגעלייגט אופֿן איז אָנווענדלעך צו קיין ליכט-אַבזאָרבינג סאַבסטרייט (למשל, געשעפט סאַמפּאַלז מיט יטאָ קאָוטינג). אָבער, גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס זענען ביכולת צו צושטעלן הויך אַבזאָרפּשאַן אין די ינפרערעד און נידעריק אַבזאָרפּשאַן אין די קענטיק קייט, די לעצטע קעראַקטעריסטיקס פון וואָס זענען פון אינטערעס פֿאַר עפעקטיוו אָפּטיש אָבסערוואַציע אין די קענטיק קייט, ספּעציעל ווען ניצן פלורעסאַנס. אין אַדישאַן, גאָלד איז בייאָוקאַמפּאַטאַבאַל, כעמיש ינערט, אָפּטיש געדיכטקייַט קענען זיין אַדזשאַסטיד פון 530 נם צו לעבן ינפרערעד, און מוסטער צוגרייטונג איז פּשוט און שפּאָרעוודיק29.
טראַנסווערסע גראַטינג וואַוועפראָנט מיקראָסקאָפּי (CGM) אַלאַוז ניט בלויז טעמפּעראַטור מאַפּינג אין די מיקראָסקאַלע, אָבער אויך בייאַמאַס מאָניטאָרינג, מאכן עס דער הויפּט נוציק (אויב ניט נייטיק) אין קאָמבינאַציע מיט LA-HTM. אין די לעצטע יאָרצענדלינג, אנדערע טעמפּעראַטור מיקראָסקאָפּי טעקניקס זענען דעוועלאָפּעד, ספּעציעל אין די פעלד פון ביאָימאַגינג, און רובֿ פון זיי דאַרפן די נוצן פון טעמפּעראַטור-שפּירעוודיק פלורעסאַנט פּראָבעס54,55. אָבער, די מעטהאָדס האָבן שוין קריטיקירט און עטלעכע ריפּאָרץ האָבן געמאסטן אַנריליסטיק טעמפּעראַטור ענדערונגען אין סעלז, עפשער רעכט צו דעם פאַקט אַז פלורעסאַנס דעפּענדס אויף פילע סיבות אנדערע ווי טעמפּעראַטור. אין דערצו, רובֿ פלורעסאַנט פּראָבעס זענען אַנסטייבאַל ביי הויך טעמפּעראַטורעס. דעריבער, QPM און ספּעציעל CGM רעפּראַזענץ אַן ידעאַל טעמפּעראַטור מיקראָסקאָפּי טעכניק פֿאַר לערנען לעבן אין הויך טעמפּעראַטורעס ניצן אָפּטיש מיקראָסקאָפּי.
שטודיום פון S. shibatae, וואָס לעבן אָפּטימאַללי ביי 80 ° C, ווייַזן אַז LA-HTM קענען זיין געווענדט צו לערנען היפּערטהערמאָפילז, ניט נאָר פּשוט טערמאָפילעס. אין פּרינציפּ, עס איז קיין שיעור צו די קייט פון טעמפּעראַטורעס וואָס קענען זיין ריטשט מיט LA-HTM, און אפילו טעמפּעראַטורעס העכער 100 ° C קענען זיין ריטשט ביי אַטמאַספעריק דרוק אָן בוילינג, ווי דעמאַנסטרייטיד דורך אונדזער גרופּע פון ​​​​38 אין הידראָטערמאַל כעמיע אַפּלאַקיישאַנז אין אַטמאַספעריק. דרוק א. א לאַזער איז געניצט פֿאַר באַהיצונג גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס 40 אין דער זעלביקער וועג. אזוי, LA-HTM האט די פּאָטענציעל צו זיין געוויינט צו אָבסערווירן אַנפּרעסידענטיד היפּערטהערמאָפילז מיט נאָרמאַל הויך האַכלאָטע אָפּטיש מיקראָסקאָפּי אונטער נאָרמאַל טנאָים (ד"ה אונטער ינווייראַנמענאַל דרוק).
אַלע יקספּעראַמאַנץ זענען דורכגעקאָכט מיט אַ כאָוממייד מיקראָסקאָפּ, אַרייַנגערעכנט Köhler ילומאַניישאַן (מיט געפירט, M625L3, Thorlabs, 700 מוו), ספּעסאַמאַן האָלדער מיט מאַנואַל קסי באַוועגונג, אַבדזשעקטיווז (אָלימפּוס, 60x, 0.7 NA, לופט, LUCPlanFLN60X אָדער 60x, Oil 1.25NA, 1.25NA , UPLFLN60XOI), CGM אַפּאַראַט (QLSI קרייַז גרייטינג, 39 μm פּעך, 0.87 מם פון Andor Zyla אַפּאַראַט סענסער) צו צושטעלן ינטענסיטי און וואַוועפראָנט ימאַגינג, און sCMOS אַפּאַראַט (ORCA Flash 4.0 V3, 16-bit מאָדע, פֿון Hamamatsu) צו רעקאָרדירן די דאַטן געוויזן אין פיגורע 5 (באַקטיריאַל שווימערייַ). די דיקראָיק שטראַל ספּליטטער איז אַ 749 nm ברייטלינע ברעג (Semrock, FF749-SDi01). דער פילטער אויף די פראָנט פון די אַפּאַראַט איז אַ 694 קורץ פאָרן פילטער (FF02-694 / SP-25, Semrock). טיטאַניום שאַפיר לאַזער (לייזער ווערדי ג 10, 532 נם, 10 וו, פּאַמפּט צונאַמי לאַזער קאַוואַטי, ספּעקטראַ-פיזיק אין פייג. 2-5, ווייַטער ריפּלייסט דורך מיללעניאַ לאַזער, ספּעקטראַפיסיקס 10 וו, פּאַמפּט מיראַ לאַזער קאַוואַטי, קאָוכיראַנט, פֿאַר פיג. 2 -5). 6 און 7) זענען באַשטימט צו די ווייוולענגט \({{{({\rm{\lambda }}}}}}=800\) nm, וואָס קאָראַספּאַנדז צו די פּלאַזמאָן רעזאַנאַנס ספּעקטרום פון גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס. ספּיישאַל ליכט מאָדולאַטאָרס (1920 × 1152 בילדצעלן) זענען פּערטשאַסט פֿון Meadowlark Optics.
קרייַז גרייטינג וואַוועפראָנט מיקראָסקאָפּי (CGM) איז אַן אָפּטיש מיקראָסקאָפּי טעכניק באזירט אויף קאַמביינינג אַ צוויי-דימענשאַנאַל דיפראַקשאַן גראַטינג (אויך באקאנט ווי קרייַז גרייטינג) אין אַ ווייַטקייט פון איין מילאַמיטער פון אַ קאַנווענשאַנאַל אַפּאַראַט ס סענסער. די מערסט פּראָסט ביישפּיל פון אַ CGM וואָס מיר האָבן געוויינט אין דעם לערנען איז גערופֿן אַ פיר-ווייוולענגט טראַנסווערסע יבעררוק ינטערפעראָמעטער (QLSI), ווו די קרייַז-גראַטינג באשטייט פון אַ ינטענסיטי / פאַסע טשעקערבאָרד מוסטער באַקענענ און פּאַטאַנטאַד דורך Primot et al. אין 200034. די ווערטיקאַל און האָריזאָנטאַל גראַטינג שורות מאַכן גריד-ווי שאַדאָוז אויף די סענסער, די דיסטאָרשאַן פון וואָס קענען זיין נומעריקלי פּראַסעסט אין פאַקטיש צייט צו באַקומען די אָפּטיש וואַוועפראַנט דיסטאָרשאַן (אָדער עקוויוואַלענט פאַסע פּראָפיל) פון די אינצידענט ליכט. ווען געוויינט אויף אַ מיקראָסקאָפּ, אַ CGM אַפּאַראַט קענען אַרויסווייַזן די אָפּטיש וועג חילוק פון אַ ימאַדזשאַנד כייפעץ, אויך באקאנט ווי אָפּטיש טיפקייַט (אָט), מיט אַ סענסיטיוויטי אין די סדר פון נאַנאָמעטערס 36. אין קיין CGM מעזשערמאַנט, צו עלימינירן קיין חסרונות אין די אָפּטיש קאַמפּאָונאַנץ אָדער בימז, אַ ערשטיק רעפֿערענץ אָט בילד מוזן זיין גענומען און סאַבטראַקטיד פון קיין סאַבסאַקוואַנט בילדער.
טעמפּעראַטור מיקראָסקאָפּי איז דורכגעקאָכט מיט אַ קגם אַפּאַראַט ווי דיסקרייבד אין דער רעפֿערענץ. 32. אין קורץ, באַהיצונג אַ פליסיק ענדערונגען זייַן רעפראַקטיווע אינדעקס, קריייטינג אַ טערמאַל אָביעקטיוו ווירקונג וואָס דיסטאָרץ די אינצידענט שטראַל. די וואַוועפראַנט דיסטאָרשאַן איז געמאסטן דורך די CGM און פּראַסעסט מיט אַ דעקאָנוואָלוטיאָן אַלגערידאַם צו קריגן אַ דריי-דימענשאַנאַל טעמפּעראַטור פאַרשפּרייטונג אין די פליסיק מיטל. אויב די גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס זענען יוואַנלי פונאנדערגעטיילט איבער די מוסטער, טעמפּעראַטור מאַפּינג קענען זיין געטאן אין באַקטיריאַ-פריי געביטן צו פּראָדוצירן בעסער בילדער, וואָס איז וואָס מיר מאל טאָן. די רעפֿערענץ CGM בילד איז קונה אָן באַהיצונג (מיט די לאַזער אַוועק) און דערנאָך קאַפּטשערד אין דער זעלביקער אָרט אין די בילד מיט די לאַזער אויף.
מעזשערמאַנט פון טרוקן מאַסע איז אַטשיווד מיט דער זעלביקער CGM אַפּאַראַט געניצט פֿאַר טעמפּעראַטור ימידזשינג. CGM רעפֿערענץ בילדער זענען באקומען דורך ראַפּאַדלי מאָווינג די מוסטער אין X און y בעשאַס ויסשטעלן ווי אַ מיטל פון אַוורידזשינג קיין ינהאָמאָגענעיטי אין די אָט רעכט צו דעם בייַזייַן פון באַקטיריאַ. פֿון אָט בילדער פון באַקטיריאַ, זייער בייאַמאַס איז באקומען מיט אַן אַנסאַמבאַל פון בילדער איבער געביטן אויסגעקליבן מיט מאַטלאַב ס כאָוממייד סעגמאַנטיישאַן אַלגערידאַם (זען סאַבסעקשאַן "נומעריקאַל קאָד"), לויט די פּראָצעדור דיסקרייבד אין רעפערס. 48. בקיצור, מיר נוצן די באַציונג \(מ={\אַלפאַ}^{-1}\יינט {{\mbox{OT}}}\left(x,y\right){{\mbox{d}} } x {{\mbox{d}}}y\), ווו \({{\mbox{OT}}}\left(x,y\right)\) איז די אָפּטיש טיף בילד, \(m\) איז די טרוקן וואָג און \({{{{{\rm{\alpha }}}}}}\) איז אַ קעסיידערדיק. מיר האָבן אויסדערוויילט \({{{\rm{\alpha))))))=0.18\) µm3/pg, וואָס איז אַ טיפּיש קעסיידערדיק פֿאַר לעבעדיק סעלז.
א דעקל צעטל 25 מם אין דיאַמעטער און 150 μם דיק קאָוטאַד מיט גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס איז געשטעלט אין אַ AttofluorTM קאַמער (טהערמאָפישער) מיט די גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס פייסינג אַרויף. געאָבאַסיללוס סטעאַראָטהערמאָפילוס איז געווען פּרעקאַלטשערד יבערנאַכטיק אין לב מיטל (200 רפּם, 60 ° C) איידער יעדער טאָג פון יקספּעראַמאַנץ. א קאַפּ פון 5 μל פון אַ סאַספּענשאַן פון G. stearothermophilus מיט אַ אָפּטיש געדיכטקייַט (אָד) פון 0.3 צו 0.5 איז געשטעלט אויף אַ דעקן צעטל מיט גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס. דערנאָך, אַ קייַלעכיק דעקל צעטל 18 מם אין דיאַמעטער מיט אַ לאָך 5 מם אין דיאַמעטער אין דעם צענטער איז געווען דראַפּט אַנטו די קאַפּ, און 5 μל פון באַקטיריאַל סאַספּענשאַן מיט דער זעלביקער אָפּטיש געדיכטקייַט איז ריפּיטידלי געווענדט צו די צענטער פון די לאָך. די וועלז אויף קאָווערסליפּס זענען צוגעגרייט אין לויט מיט די פּראָצעדור דיסקרייבד אין רעף. 45 (זען סאַפּלאַמענערי אינפֿאָרמאַציע פֿאַר מער אינפֿאָרמאַציע). דעריבער לייגן 1 מל פון לב מיטל צו די קאָווערסליפּ צו פאַרמייַדן די פליסיק שיכטע פון ​​​​דרייינג אויס. די לעצטע קאָווערסליפּ איז געשטעלט איבער די פארמאכט דעקל פון די Attofluor ™ קאַמער צו פאַרמייַדן יוואַפּעריישאַן פון די מיטל בעשאַס ינגקיוביישאַן. פֿאַר דזשערמאַניישאַן יקספּעראַמאַנץ, מיר געוויינט ספּאָרז, וואָס, נאָך קאַנווענשאַנאַל יקספּעראַמאַנץ, מאל באדעקט די שפּיץ קאָווערסליפּ. א ענלעך אופֿן איז געניצט צו קריגן Sulfolobus shibatae. דריי טעג (200 רפּם, 75 ° C) פון פּרילימאַנערי קאַלטיוויישאַן פון Thiobacillus serrata זענען דורכגעקאָכט אין מיטל 182 (דסמז).
סאַמפּאַלז פון גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס זענען צוגעגרייט דורך מיסעללער בלאָק קאָפּאָלימער ליטהאָגראַפי. דעם פּראָצעס איז דיסקרייבד אין דעטאַל אין טשאַפּ. 60. בעקיצער, מיסעללעס ענקאַפּסאַלייטינג גאָלד ייאַנז זענען סינטאַסייזד דורך מיקסינג די קאָפּאָלימער מיט HAuCl4 אין טאָלוענע. די קלינד קאָווערסליפּס זענען דעמאָלט געטובלט אין די לייזונג און באהאנדלט מיט ווו יריידייישאַן אין דעם בייַזייַן פון אַ רידוסינג אַגענט צו באַקומען גאָלד זאמען. לעסאָף, גאָלד זאמען זענען דערוואַקסן דורך קאָנטאַקט אַ קאָווערסליפּ מיט אַ ייקוויאַס לייזונג פון KAuCl4 און עטאַנאָלאַמינע פֿאַר 16 מינוט, וואָס ריזאַלטיד אין אַ קוואַזי-פּעריאָדיש און זייער מונדיר אָרדענונג פון ניט-ספעריש גאָלד נאַנאָפּאַרטיקלעס אין דעם לעבן ינפרערעד.
צו בייַטן די ינטערפעראָגראַמס צו אָט בילדער, מיר געוויינט אַ כאָוממייד אַלגערידאַם, ווי דיטיילד אין די לינק. 33 און איז בנימצא ווי אַ Matlab פּעקל אין די פאלגענדע ציבור ריפּאַזאַטאָרי: https://github.com/baffou/CGMprocess. דער פּעקל קענען רעכענען ינטענסיטי און אָט בילדער באזירט אויף רעקאָרדעד ינטערפעראָגראַמס (אַרייַנגערעכנט רעפֿערענץ בילדער) און אַפּאַראַט מענגע דיסטאַנסאַז.
צו רעכענען די פאַסע מוסטער געווענדט צו SLM צו באַקומען אַ געגעבן טעמפּעראַטור פּראָפיל, מיר געוויינט אַ פריער דעוועלאָפּעד כאָוממייד אַלגערידאַם 39,42 וואָס איז בנימצא אין די פאלגענדע עפנטלעך ריפּאַזאַטאָרי: https://github.com/baffou/SLM_temperatureShaping. דער אַרייַנשרייַב איז דער געוואלט טעמפּעראַטור פעלד, וואָס קענען זיין שטעלן דידזשאַטאַלי אָדער דורך אַ מאַנאַקראָום במפּ בילד.
צו סעגמענט די סעלז און מעסטן זייער טרוקן וואָג, מיר געוויינט אונדזער מאַטלאַב אַלגערידאַם ארויס אין די פאלגענדע עפנטלעך ריפּאַזאַטאָרי: https://github.com/baffou/CGM_magicWandSegmentation. אויף יעדער בילד, דער באַניצער מוזן גיט אויף די באַקטיריאַ אָדער mCFU פון אינטערעס, סטרויערן די שטעקל סענסיטיוויטי און באַשטעטיקן די סעלעקציע.
פֿאַר מער אינפֿאָרמאַציע וועגן לערנען פּלאַן, זען די אַבסטראַקט נאַטורע פאָרשונג באריכט לינגקט צו דעם אַרטיקל.
דאַטן וואָס שטיצן די רעזולטאַטן פון דעם לערנען זענען בארעכטיגט פֿון די ריספּעקטיוו מחברים אויף אַ גלייַך בעטן.
דער מקור קאָד געניצט אין דעם לערנען איז דיטיילד אין די מעטהאָדס אָפּטיילונג, און דיבאַג ווערסיעס קענען זיין דאַונלאָודיד פֿון https://github.com/baffou/ אין די פאלגענדע ריפּאַזאַטאָריז: SLM_temperatureShaping, CGMprocess און CGM_magicWandSegmentation.
Mehta, R., Singhal, P., Singh, H., Damle, D. & Sharma, AK ינסייט אין טהערמאָפילעס און זייער ברייט-ספּעקטרום אַפּלאַקיישאַנז. Mehta, R., Singhal, P., Singh, H., Damle, D. & Sharma, AK ינסייט אין טהערמאָפילעס און זייער ברייט-ספּעקטרום אַפּלאַקיישאַנז.Mehta, R., Singhal, P., Singh, H., Damle, D. און Sharma, AK איבערבליק פון טהערמאָפילעס און זייער ברייט אַפּלאַקיישאַן. Mehta, R., Singhal, P., Singh, H., Damle, D. & Sharma, AK 深入了解嗜热菌及其广谱应用。 Mehta, R., Singhal, P., Singh, H., Damle, D. & Sharma, AK.Mehta R., Singhal P., Singh H., Damle D. און Sharma AK א טיף פארשטאנד פון טהערמאָפילעס און אַ ברייט קייט פון אַפּלאַקיישאַנז.3 ביאָטעטשנאָלאָגי 6, 81 (2016).