Nature综述新一代微生物学研究方法,单细胞水平生物技术“显身手”
2020/02/19
单细胞尺度微生物学的出现为解决这些微生物学研究中的重要挑战提供了一种新的策略和技术思路,有望帮助研究人员更为直观、深入地了解每个细胞内部的状态,以及其在自然界的生理生态功能。

微生物在地球生态系统中扮演着非常重要的角色。它们是全球生物地球化学循环的主要驱动力,并与几乎所有的多细胞生命形式(包括植物、动物和人类)相关联,因此对微生物的了解研究至关重要。

而传统的微生物学研究方法面临着颇多挑战。研究表明,即便是处于同一种群中的微生物细胞,在基因转录和翻译、蛋白活性、以及代谢物丰度等多个水平都可能存在显著差异,说明微生物细胞间存在着多个层次上的异质性。与此同时,传统微生物学研究方法需要将所研究的微生物对象在实验室实现再次培养,然后对纯培养的微生物种群进行研究,这样往往造成实验室的研究结果无法真实地反映微生物细胞在自然界中的原始状态,所以急需发展新的原位研究手段。此外,自然界中的微生物目前只有极少部分可以在实验室中进行培养,仍有大量微生物无法通过传统方法进行发掘和研究。


传统研究微生物生理学的方法(图片来源:参考资料1)

在这样的大背景下,单细胞尺度微生物学的出现为解决这些微生物学研究中的重要挑战提供了一种新的策略和技术思路,有望帮助研究人员更为直观、深入地了解每个细胞内部的状态,以及其在自然界的生理生态功能。

为了将这些新颖的方法与传统方法学区分开来,新一代微生物生理学研究方法(Next-generation physiology approaches)的概念应运而生,其独立于微生物群落遗传组成的先验知识的需求,而侧重于细胞功能。它们不需要实验室培养,并且是非破坏性的,因此微生物学家能够弥合微生物组学研究历史上分离领域之间的鸿沟。


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

新一代微生物生理学研究方法

2月13日,Nature旗下《Nature Reviews Microbiology》期刊发表了关于题为“Next-generation physiology approaches to study microbiome function at single cell level”的综述。在这篇综述中,研究人员首先讨论了新一代微生物生理学研究方法的一般概念,然后详细描述了在不破坏研究细胞的情况下研究细胞表型的现有技术,并讨论如何将这些方法与细胞分类技术和一系列强大的下游应用相结合。


新一代微生物生理学研究方法(图片来源:参考资料1)

其中值得关注的是,这篇综述从三个方面讲述了不破坏细胞表型的现有技术,这三个方面分别是:无标记方法、含基质或重水的稳定同位素探测法以及基底模拟探测法。

无标记方法

无创光学显微镜和拉曼显微光谱表征单个细胞形态和观察细胞内部化学成分,主要是观察暂时性特征存在的信息,不过对于活细胞的时间分辨分析也提供了对细胞动态过程的观测。光学显微镜的表型观察包括孢子的形成、化合物存储分布、细胞分裂过程、细胞对外界刺激的行为反应(例如,趋氧性、趋化性、趋磁性或趋光性等)或来自辅因子、色素或维生素的固有自体荧光的发生。通过数据库比较,可以在细胞的拉曼谱图中识别出具有已知拉曼谱带的化合物,那些具有特定特性的细胞可以根据其光学特性或其化学成分来分离。


细胞的拉曼光谱(图片来源:参考资料1)

稳定同位素探测(SIP)

同位素探测方法涉及将微生物样品与同位素标记的反应物(基质或水)孵育,并跟踪其与细胞成分的结合,识别合成代谢活性微生物。将基质13C葡萄糖 或15NH4+与微生物一起孵育能够使其并入生物质并跟踪系统内中间体的流动,而将重水2H2O或H218O与微生物一起孵育能够提供一种标记策略。

基底模拟探测(SAP)

基底模拟探测(SAP)使用了大多数实验室都可以使用的基础设施,即标准荧光显微镜和FACS仪器。与SIP相比,SAP相对容易执行。SAP主要包括荧光类似物、非规范基底以及基于活性和亲和力的蛋白质分析。


新一代微生物生理学研究工作流程(图片来源:参考资料1)

前景展望

新一代微生物生理学研究方法的非破坏性使得对表达特异表型的单细胞的关键下游分析成为可能。作者鼓励微生物学家与微生物组学以外的研究人员携手合作。对于那些愿意走出自己舒适区并闯入生活系统领域的非微生物学家来说,存在着巨大的机遇,他们可能会在多个方面影响微生物组学。

在文章最后,作者谈到,文中提到的方法一旦得到广泛应用,将在极大程度上帮助微生物研究从相关研究转向对微生物活性和功能的因果理解。

参考资料:

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

[2]单细胞尺度下的微生物学研究:意义与方法

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