利用MALDI質(zhì)譜成像和原位熒光標(biāo)記觀察宿主-微生物相互作用的新方法

作為共生體或寄生蟲生活在動(dòng)物宿主體內(nèi)的細(xì)菌的迷人世界對研究人員來說仍然是一個(gè)謎。基爾大學(xué)(CAU)和不來梅的馬克斯普朗克海洋微生物研究所正在通過研究微生物與宿主之間的相互作用來解決這個(gè)難題。在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院代謝組學(xué)系主任Manuel Liebeke教授和馬克斯普朗克海洋微生物研究所代謝相互作用研究小組的領(lǐng)導(dǎo)下，一個(gè)研究小組取得了突破性進(jìn)展，為這個(gè)神秘的微觀世界提供了見解。

通常，細(xì)菌不能在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，研究人員必須依靠從環(huán)境樣本中獲得的細(xì)菌基因組信息來獲得對微生物代謝的理論見解。然而，人們一直缺乏對它們在自然環(huán)境中實(shí)際活動(dòng)的了解。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家們開始研究所謂的細(xì)菌代謝組——與細(xì)菌代謝有關(guān)的一切，包括糖或脂肪等代謝物。

在一項(xiàng)開創(chuàng)性的研究中，Liebeke的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，可以識(shí)別單個(gè)細(xì)菌，同時(shí)確定細(xì)胞中存在哪些代謝物-所有這些都無需在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)細(xì)菌。這種方法使他們能夠研究細(xì)菌如何作為共生的分租戶生存，例如在貽貝中。研究小組在一個(gè)小于一平方毫米的區(qū)域內(nèi)分析了數(shù)百種代謝物。基爾大學(xué)和不來梅大學(xué)的研究人員在9月份的《自然協(xié)議》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

一個(gè)定格的時(shí)刻有助于詳細(xì)的觀察

Liebeke解釋說:“可以說，我們創(chuàng)造了細(xì)菌在工作中的快照，就像它們在自然環(huán)境中活躍一樣，特別是在動(dòng)物細(xì)胞中。”“我們可以以令人印象深刻的幾微米的分辨率做到這一點(diǎn)，大約比人類頭發(fā)細(xì)十倍。”

這種方法的一個(gè)特點(diǎn)是使用快速冷凍的組織，它被切得很薄。然后，研究人員使用一種稱為MALDI-MS成像的特殊質(zhì)譜技術(shù)來創(chuàng)建細(xì)胞中化合物的快照。

然而，只有當(dāng)他們知道哪些細(xì)菌產(chǎn)生或使用代謝物時(shí)，才有可能從代謝物的圖像中得出正確的結(jié)論。為了解決這個(gè)問題，研究人員還使用熒光原位雜交(FISH)來識(shí)別和定位樣品中的單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞。

馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的patrick Bourceau說:“將這種方法應(yīng)用于宿主-微生物群落將為我們提供許多令人興奮的關(guān)于生物之間化學(xué)通訊的新見解。”他是該方法的主要作者。

這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作為研究細(xì)菌及其與宿主的相互作用打開了新的大門。此外，這里提出的方法也為未來提供了有希望的潛在應(yīng)用:由不來梅的馬克斯普朗克研究所開發(fā)，Liebeke在CAU的新工作組現(xiàn)在正在使用它來研究人類腸道微生物組及其對新陳代謝的影響。例如，這可以幫助我們更好地了解炎癥性腸病。隨著詳細(xì)方案的公布，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)在向世界各地的其他研究人員開放。

總之，顯微鏡和代謝組學(xué)(專門研究代謝物的研究領(lǐng)域的名稱)的應(yīng)用提供了對宿主-微生物相互作用的功能和化學(xué)生態(tài)學(xué)的見解。MALDI-MSI技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展使其能夠說明微生物菌落，生物膜和單個(gè)真核細(xì)胞，甚至細(xì)菌微菌落。今天，MALDI-MSI技術(shù)即將能夠提供單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的圖像。這里提出的方案構(gòu)成了分析和理解代謝相互作用的基礎(chǔ)，精確到微米。

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