Small-scale engineering: A new strategy for the production of monodisperse colloid particles with precise control of their size, shape, and composition has been developed. Highly monodisperse liquid droplets are formed by using a microfluidic device. The droplets are shaped in a microchannel (spheres, disks, and rods; see images) and solidified in situ by either polymerization or thermal setting.

The interaction of bacteria with surfaces has important implications in a range of areas, including bioenergy, biofouling, biofilm formation, and the infection of plants and animals. Many of the interactions of bacteria with surfaces produce changes in the expression of genes that influence cell morphology and behavior, including genes essential for motility and surface attachment. Despite the attention that these phenotypes have garnered, the bacterial systems used for sensing and responding to surfaces are still not well understood. An understanding of these mechanisms will guide the development of new classes of materials that inhibit and promote cell growth, and complement studies of the physiology of bacteria in contact with surfaces. Recent studies from a range of fields in science and engineering are poised to guide future investigations in this area. This review summarizes recent studies on bacteria-surface interactions, discusses mechanisms of surface sensing and consequences of cell attachment, provides an overview of surfaces that have been used in bacterial studies, and highlights unanswered questions in this field.

Abstract

Gram-negative bacteria possess a complex cell envelope that consists of a plasma membrane, a peptidoglycan cell wall and an outer membrane. The envelope is a selective chemical barrier1 that defines cell shape2 and allows the cell to sustain large mechanical loads such as turgor pressure3. It is widely believed that the covalently cross-linked cell wall underpins the mechanical properties of the envelope4,5. Here we show that the stiffness and strength of Escherichia coli cells are largely due to the outer membrane. Compromising the outer membrane, either chemically or genetically, greatly increased deformation of the cell envelope in response to stretching, bending and indentation forces, and induced increased levels of cell lysis upon mechanical perturbation and during L-form proliferation. Both lipopolysaccharides and proteins contributed to the stiffness of the outer membrane. These findings overturn the prevailing dogma that the cell wall is the dominant mechanical element within Gram-negative bacteria, instead demonstrating that the outer membrane can be stiffer than the cell wall, and that mechanical loads are often balanced between these structures. The outer membrane of Gram-negative bacteria is shown to be at least as stiff as the cell wall, and this property enables it to protect cells from mechanical pertubations.

It is difficult to harness the power generated by biological motors to carry out mechanical work in systems outside the cell. Efforts to capture the mechanical energy of nanomotors ex vivo require in vitro reconstitution of motor proteins and, often, protein engineering. This study presents a method for harnessing the power produced by biological motors that uses intact cells. The unicellular, biflagellated algae Chlamydomonas reinhardtii serve as “microoxen.” This method uses surface chemistry to attach loads (1- to 6-μm-diameter polystyrene beads) to cells, phototaxis to steer swimming cells, and photochemistry to release loads. These motile microorganisms can transport microscale loads (3-μm-diameter beads) at velocities of ≈100–200 μm·sec –1 and over distances as large as 20 cm.

An axisymmetric flow-focusing microfluidic device (AFFD) is described. The AFFD (see Figure, top) produces micrometer-sized (50–300 μm) polymer-coated droplets (see Figure, bottom) with narrow size distributions (< 5 %). The axisymmetric geometry confines droplets to the central axis of the channel and prevents them from being sheared or damaged at the channel walls. The device is used to prepare aqueous droplets encapsulated in nylon-6,6 membranes by carrying out interfacial polymerization reactions in situ.

Many proteins reside at the cell poles in rod-shaped bacteria. Several hypotheses have drawn a connection between protein localization and the large cell-wall curvature at the poles. One hypothesis has centered on the formation of microdomains of the lipid cardiolipin (CL), its localization to regions of high membrane curvature, and its interaction with membrane-associated proteins. A lack of experimental techniques has left this hypothesis unanswered. This paper describes a microtechnology-based technique for manipulating bacterial membrane curvature and quantitatively measuring its effect on the localization of CL and proteins in cells. We confined Escherichia coli spheroplasts in microchambers with defined shapes that were embossed into a layer of polymer and observed that the shape of the membrane deformed predictably to accommodate the walls of the microchambers. Combining this technique with epifluorescence microscopy and quantitative image analyses, we characterized the localization of CL microdomains in response to E. coli membrane curvature. CL microdomains localized to regions of high intrinsic negative curvature imposed by microchambers. We expressed a chimera of yellow fluorescent protein fused to the N-terminal region of MinD--a spatial determinant of E. coli division plane assembly--in spheroplasts and observed its colocalization with CL to regions of large, negative membrane curvature. Interestingly, the distribution of MinD was similar in spheroplasts derived from a CL synthase knockout strain. These studies demonstrate the curvature dependence of CL in membranes and test whether these structures participate in the localization of MinD to regions of negative curvature in cells.

Summary Although bacterial cells are known to experience large forces from osmotic pressure differences and their local microenvironment, quantitative measurements of the mechanical properties of growing bacterial cells have been limited. We provide an experimental approach and theoretical framework for measuring the mechanical properties of live bacteria. We encapsulated bacteria in agarose with a user‐defined stiffness, measured the growth rate of individual cells and fit data to a thin‐shell mechanical model to extract the effective longitudinal Young's modulus of the cell envelope of Escherichia coli (50–150 MPa), Bacillus subtilis (100–200 MPa) and Pseudomonas aeruginosa (100–200 MPa). Our data provide estimates of cell wall stiffness similar to values obtained via the more labour‐intensive technique of atomic force microscopy. To address physiological perturbations that produce changes in cellular mechanical properties, we tested the effect of A22‐induced MreB depolymerization on the stiffness of E. coli . The effective longitudinal Young's modulus was not significantly affected by A22 treatment at short time scales, supporting a model in which the interactions between MreB and the cell wall persist on the same time scale as growth. Our technique therefore enables the rapid determination of how changes in genotype and biochemistry affect the mechanical properties of the bacterial envelope.

We report an automated microfluidic platform for ‘digitally’ screening the composition space of droplets containing cocktails of small molecules and demonstrate the features of this system by studying epistatic interactions between antibiotics and Escherichia coli ATCC 25922. This system has several key characteristics: (i) it uses small (<100 μL) samples of liquids and suspensions of bacteria that are introduced directly into the chip; (ii) it generates a sequence of droplets with compositions, including reagents and bacterial cell suspensions that are programmed by the user; (iii) it exports the sequence of droplets to an external segment of tubing that is subsequently disconnected for incubation and storage; and (iv) after incubation of bacteria in droplets, the droplets are injected into a second device equipped with an in-line fiber optic spectrophotometer that measures cell growth. The system generates and fuses droplets with precise (<1% in standard deviation) control of liquid volumes and of the concentrations of input substrates. We demonstrate the application of this technology in determining the minimum inhibitory concentration and pair-wise interactions of ampicillin, tetracycline, and chloramphenicol against E. coli. The experiments consumed small volumes of reagents and required minutes to create the droplets and several hours for their incubation and analysis.