Nature綜述新一代微生物學研究方法,單細胞水平生物技術“顯身手”
2020/02/19
單細胞尺度微生物學的出現為解決這些微生物學研究中的重要挑戰提供了一種新的策略和技術思路,有望幫助研究人員更為直觀、深入地了解每個細胞內部的狀態,以及其在自然界的生理生態功能。

微生物在地球生態系統中扮演著非常重要的角色。它們是全球生物地球化學循環的主要驅動力,并與幾乎所有的多細胞生命形式(包括植物、動物和人類)相關聯,因此對微生物的了解研究至關重要。

而傳統的微生物學研究方法面臨著頗多挑戰。研究表明,即便是處于同一種群中的微生物細胞,在基因轉錄和翻譯、蛋白活性、以及代謝物豐度等多個水平都可能存在顯著差異,說明微生物細胞間存在著多個層次上的異質性。與此同時,傳統微生物學研究方法需要將所研究的微生物對象在實驗室實現再次培養,然后對純培養的微生物種群進行研究,這樣往往造成實驗室的研究結果無法真實地反映微生物細胞在自然界中的原始狀態,所以急需發展新的原位研究手段。此外,自然界中的微生物目前只有極少部分可以在實驗室中進行培養,仍有大量微生物無法通過傳統方法進行發掘和研究。


傳統研究微生物生理學的方法(圖片來源:參考資料1)

在這樣的大背景下,單細胞尺度微生物學的出現為解決這些微生物學研究中的重要挑戰提供了一種新的策略和技術思路,有望幫助研究人員更為直觀、深入地了解每個細胞內部的狀態,以及其在自然界的生理生態功能。

為了將這些新穎的方法與傳統方法學區分開來,新一代微生物生理學研究方法(Next-generation physiology approaches)的概念應運而生,其獨立于微生物群落遺傳組成的先驗知識的需求,而側重于細胞功能。它們不需要實驗室培養,并且是非破壞性的,因此微生物學家能夠彌合微生物組學研究歷史上分離領域之間的鴻溝。


https://doi.org/10.1038/s41579-020-0323-1

新一代微生物生理學研究方法

2月13日,Nature旗下《Nature Reviews Microbiology》期刊發表了關于題為“Next-generation physiology approaches to study microbiome function at single cell level”的綜述。在這篇綜述中,研究人員首先討論了新一代微生物生理學研究方法的一般概念,然后詳細描述了在不破壞研究細胞的情況下研究細胞表型的現有技術,并討論如何將這些方法與細胞分類技術和一系列強大的下游應用相結合。


新一代微生物生理學研究方法(圖片來源:參考資料1)

其中值得關注的是,這篇綜述從三個方面講述了不破壞細胞表型的現有技術,這三個方面分別是:無標記方法、含基質或重水的穩定同位素探測法以及基底模擬探測法。

無標記方法

無創光學顯微鏡和拉曼顯微光譜表征單個細胞形態和觀察細胞內部化學成分,主要是觀察暫時性特征存在的信息,不過對于活細胞的時間分辨分析也提供了對細胞動態過程的觀測。光學顯微鏡的表型觀察包括孢子的形成、化合物存儲分布、細胞分裂過程、細胞對外界刺激的行為反應(例如,趨氧性、趨化性、趨磁性或趨光性等)或來自輔因子、色素或維生素的固有自體熒光的發生。通過數據庫比較,可以在細胞的拉曼譜圖中識別出具有已知拉曼譜帶的化合物,那些具有特定特性的細胞可以根據其光學特性或其化學成分來分離。


細胞的拉曼光譜(圖片來源:參考資料1)

穩定同位素探測(SIP)

同位素探測方法涉及將微生物樣品與同位素標記的反應物(基質或水)孵育,并跟蹤其與細胞成分的結合,識別合成代謝活性微生物。將基質13C葡萄糖 或15NH4+與微生物一起孵育能夠使其并入生物質并跟蹤系統內中間體的流動,而將重水2H2O或H218O與微生物一起孵育能夠提供一種標記策略。

基底模擬探測(SAP)

基底模擬探測(SAP)使用了大多數實驗室都可以使用的基礎設施,即標準熒光顯微鏡和FACS儀器。與SIP相比,SAP相對容易執行。SAP主要包括熒光類似物、非規范基底以及基于活性和親和力的蛋白質分析。


新一代微生物生理學研究工作流程(圖片來源:參考資料1)

前景展望

新一代微生物生理學研究方法的非破壞性使得對表達特異表型的單細胞的關鍵下游分析成為可能。作者鼓勵微生物學家與微生物組學以外的研究人員攜手合作。對于那些愿意走出自己舒適區并闖入生活系統領域的非微生物學家來說,存在著巨大的機遇,他們可能會在多個方面影響微生物組學。

在文章最后,作者談到,文中提到的方法一旦得到廣泛應用,將在極大程度上幫助微生物研究從相關研究轉向對微生物活性和功能的因果理解。

參考資料:

[1] Next-generation physiology approaches to study microbiome function at single cell level

[2]單細胞尺度下的微生物學研究:意義與方法

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