Single-cell measurement of microbial growth rate with Raman microspectroscopy

生物 显微拉曼光谱 细菌生长 微生物学 细菌 拉曼光谱 遗传学 光学 物理
作者
A. Tristan,Srishti Kashyap,George Gardner Brown,Claudia Chen,Sebastian Kopf,Alexis S. Templeton
出处
期刊:FEMS Microbiology Ecology [Oxford University Press]
卷期号:100 (9) 被引量:2
标识
DOI:10.1093/femsec/fiae110
摘要

Abstract Rates of microbial growth are fundamental to understanding environmental geochemistry and ecology. However, measuring the heterogeneity of microbial activity at the single-cell level, especially within complex populations and environmental matrices, remains a forefront challenge. Stable isotope probing (SIP) is a method for assessing microbial growth and involves measuring the incorporation of an isotopic label into microbial biomass. Here, we assess Raman microspectroscopy as a SIP technique, specifically focusing on the measurement of deuterium (2H), a tracer of microbial biomass production. We correlatively measured cells grown in varying concentrations of deuterated water with both Raman spectroscopy and nanoscale secondary ion mass spectrometry (nanoSIMS), generating isotopic calibrations of microbial 2H. Relative to Raman, we find that nanoSIMS measurements of 2H are subject to substantial dilution due to rapid exchange of H during sample washing. We apply our Raman-derived calibration to a numerical model of microbial growth, explicitly parameterizing the factors controlling growth rate quantification and demonstrating that Raman–SIP can sensitively measure the growth of microorganisms with doubling times ranging from hours to years. The measurement of single-cell growth with Raman spectroscopy, a rapid, nondestructive technique, represents an important step toward application of single-cell analysis into complex sample matrices or cellular assemblages.
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