细胞生物学中一个长久以来的目标是实现对活细胞群体精准可控的操纵。如果能在三维空间中实现对活细胞的高空间分辨率的定位、移动、组装，这对于研究细胞-细胞交流有着重大的意义。细菌群体效应在微生物的生长、分裂繁殖、抵御外界不利环境等过程发挥重要的作用，因而利用群体效应来调控细菌的生物表型一直是微生物领域的热点问题。细菌群体效应可以调控菌群生物膜的形成、生物荧光的增强、抗生素耐药性的获得、细菌素的产生等。本论文受DNA纳米技术(DNA nanotechnology)的启发，基于DNA双链的碱基互补配对原则，利用DNA结构的可编程特性实现了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌群的可控组装，进而调控细菌群体的表型之一生物膜的形成。本文首先利用糖代谢标记和点击反应实现细菌表面的核酸功能化修饰。目标细菌利用外加叠氮糖作为多聚糖组分之一合成细胞壁，实现菌体表面叠氮化。下一步，利用二苯并环辛炔(DBCO)末端修饰的单链DNA(ssDNA)与细菌表面的叠氮基团进行环加成点击反应，将目标DNA通过共价键连接到细菌表面。在合适的条件下，利用DNA杂交反应调控细菌间相互作用，实现目标细菌群体的可控组装。同时，细菌在组装过程中保持了基本的生物活性。由于细菌群体在高密度时分泌到胞外的信号分子浓度会增加，当信号分子的浓度达到阈值时会刺激菌体启动一系列相关的基因表达，进而改变菌群的生物性状，例如形成生物膜、产生生物荧光等。在DNA介导的细菌组装体中，由于双链DNA缩短了细菌之间的距离，增加了信号分子的局部浓度，从而促进了细菌生物膜的形成。本论文的主要研究方法和结果如下：
　　(1)我们利用糖代谢标记的方法实现了对细菌表面的DNA修饰。在叠氮糖代谢标记过程中，叠氮糖的种类、浓度、培养时间等因素均会影响细菌表面叠氮化的效率。我们利用流式细胞仪和激光共聚焦显微镜等仪器对不同条件下细菌的叠氮化标记效果进行了测定。结果表明，大肠杆菌在含有1mM的Glu-N3的培基中，37℃震荡培养20小时的条件下具有较好的标记效果。在激光共聚焦显微镜下，肉眼可见多个来源于DBCO-Cy3染料标记的带红色荧光的完整菌体。我们通过定量细菌表面修饰的DBCO-Cy3荧光染料的数目，测定了代谢标记后细菌表面平均叠氮基团个数，由此推算出细菌表面修饰所需的理论DNA用量，并在实验中进一步探究了DNA用量对修饰效率的影响。为了证明细菌表面成功与目标核酸发生了偶联，我们设计了未修饰与非互补两组对照组，利用流式细胞仪和激光共聚焦显微镜等仪器对细菌表面核酸功能化效果进行了测定。结果表明，目标单链DNA通过点击反应成功连接到细菌表面，且单链DNA仍保持与互补寡核苷酸链配对的能力。
　　(2)我们系统研究了DNA介导的大肠杆菌的可控组装，探索了DNA碱基序列、盐离子浓度、DNA浓度等实验条件对细菌组装体的影响。我们利用库尔特计数器、动态光散射和激光共聚焦显微镜等表征手段对细菌组装体进行表征，发现得到的大肠杆菌组装体尺寸主要分布在2-30μm的区间，最大可达近40μm。为了进一步研究大肠杆菌组装体的生物活性和群体效应，我们探索了DNA介导的细菌组装体生物膜形成能力的变化。利用结晶紫染色法，我们定量了两组互补组和一组非互补组生成的生物膜数量。结果表明，在较低的初始菌群浓度下，互补组细菌相较于非互补组形成的生物膜更多，而互补组中不同碱基序列中也会导致生物膜形成能力的差异。
　　(3)为了证明DNA介导细菌组装方法的普适性，我们使用该策略成功组装了金黄色葡萄球菌。我们采用同样的方法对革兰氏阳性菌进行了细胞壁的叠氮代谢标记，实现了目标DNA链的表面修饰，并进一步通过互补链间的杂交反应来介导金葡菌的组装。利用库尔特计数器、动态光散射、流式细胞仪和激光共聚焦显微镜，我们系统表征了金葡菌组装体的粒径和形貌。实验结果表明，金黄色葡萄球菌在DNA介导下成功组装，形成的组装体粒径主要分布在10-30μm范围内，粒径最大可达45μm。相比于革兰氏阴性的大肠杆菌，革兰氏阳性的金葡菌组装的效率更高，且平均粒径更大。
　　综上所述，我们基于DNA纳米技术的基本原理，对具有代表性的大肠杆菌和金葡菌成功实现了DNA介导的可编程组装，得到了许多尺寸分布在20-40μm的组装体。细菌组装体保持了基本的生物活性。通过定量组装体生成的生物膜，我们发现在较低的初始菌群浓度下，相比于非互补组，大肠杆菌组装体的生物膜形成能力增强。本论文中探索的DNA介导的活体组装策略，为细菌群体效应的研究提供了有力的工具。