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过去，衡量生物的指标往往用特定的总体平均值代替。利用这些传统的技术:如吸光度测量、荧光蛋白的平均荧光强度、蛋白质印迹法和诺瑟杂交，我们对于生物的转录、翻译和生长过程得到了深入的了解。然而，生物的基于总体平均值的传统技术会“清除”关键动力学过程以及生长中的细微的差距。在近二十年间，延时显微镜、定量图像分析和荧光蛋白报告基因的组合，使得我们能够在单个细胞中随时间对多个细胞组分进行直接观察，再结合数学建模，这些技术现在对不同微生物系统中的遗传回路行为提供了强有力的见解。本文以铜绿假单胞茵为研究对象，提出了一种新型的细菌追踪算法，利用延时显微镜所拍摄的照片形成的空间拓扑结构进行细菌追踪，再利用原本的细菌为模板对冗杂的节点做进一步的链式分割，最终得到准确率极高的细菌的二叉树的物理图像。利用该算法，我们对绿脓杆菌在表面的蹭行运动做出了很多归纳性和总结的工作，同时，该算法可以帮助我们对单细胞表型的分布以及细菌演化中的问题做进一步的探究。利用追踪算法，我们对细菌水平基因传递的网络进行了探索新的研究，同时在单细菌分析方面取得了一些成果，具体如下: 一种用于研究persister的双色细菌荧光报告蛋白: 我们设计了一种双色荧光报告蛋白，利用它我们可以从大量的生理和表型不同的细菌中，检测出单个的缓慢生长或生长停滞的细菌。与使用转录报告蛋白来监测细菌中的代谢活动不同，在这里，我们将具有不同成熟率的两种不同荧光蛋白融合，以构建一种双色荧光计时器，用以直接测量单个铜绿假单胞菌的生长速率。我们的实验表明，该报告蛋白能够在各种环境张力（包括营养缺乏或抗生素张力）存在的情况下从大量的细菌中指示出缓慢生长或者生长受抑制的细菌，这极大地扩展了目前检测和分离persister细菌的方法。 细菌对于公共产物铁载体的“条件性私有化”策略: 了解促进宿主细菌合作行为的机制对临床治疗具有重要意义。一般认为环境张力会增加细菌间的竞争并减少细菌合作。在这里，我们表明细菌合作的机制实际上可以依靠环境张力而维持。我们的数据表明铜绿假单胞菌在不同环境张力存在的情况下会下调公共产物铁载体的分泌，保留这种公共产物为细菌个体所使用，从而有效地抵御由环境张力诱导的活性氧的危害，我们称这种策略为“条件性私有化”。结合演化实验和理论建模，我们表明，在环境张力存在的情况下，条件性私有化策略能抵抗非生产性欺骗者的入侵。这些研究结果表明，在环境张力影响下，对于公共产物分泌的调节是如何影响病原体合作以及后续的毒力和生物膜的形成，这可能有助于帮助我们研究出新的对于绿脓杆菌的治疗方案。