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细菌——生活在我们体内的无害细菌或致病细菌——是如何组织它们的活动的？一项新的研究结合了强大的基因组尺度显微镜和一项技术创新，捕捉到了细菌在不同情况和不同空间环境下开启的基因。
细菌——生活在我们体内的无害细菌或致病细菌——是如何组织它们的活动的？一项新的研究结合了强大的基因组尺度显微镜和一项技术创新，捕捉到了细菌在不同情况和不同空间环境下开启的基因。这项技术发表在1月23日的《Science》杂志上，有望将细菌研究提升到一个新的水平。
Jeffrey Moffitt博士和他在波士顿儿童医院细胞和分子医学项目（PCMM）的同事们应用MERFISH，一种Moffitt帮助开发的分子成像技术，同时分析了数千个细菌中代表数千个基因的信使RNA。MERFISH还捕获了空间信息，揭示了空间因素如何影响细菌开启的基因——这是以前从未做过的事情。
该团队首先必须克服研究细菌RNA（也称为细菌转录组）的主要障碍。由于细菌细胞很小，它们的RNA被紧紧地挤在里面并混合在一起，这使得很难对它们进行成像和识别。“这完全是一场灾难，我们什么也看不见，”Moffitt说。
他们借用麻省理工学院Ed Boyden博士实验室开发的一种技术——扩展显微镜——将样品嵌入一种特殊的水凝胶中。他们将RNA固定在凝胶上，并改变凝胶中的化学缓冲液。这引发了它的膨胀，使样品的体积扩大了50到1000倍。Moffitt说：“所有的细菌RNA都可以单独分解。”
到目前为止，科学家们对特定细菌种群的细菌行为进行了平均计算。确定单个细菌使用的基因的能力可以为细菌相互作用、毒力、应激反应、抵抗抗生素的能力、形成像导管中那样的生物膜的能力等提供强有力的新见解。
“我们现在有了工具来回答关于宿主-微生物和微生物-微生物相互作用的有趣问题，”Moffitt说。“我们可以探索细菌如何交流和竞争空间生态位，并定义微生物群落的结构。我们可以问致病细菌在感染哺乳动物细胞时如何调整它们的基因表达。”
细菌- MERFISH 还可以提供对难以在培养皿中生长的细菌的见解。Moffitt说：“现在我们不需要培养它们，我们可以在它们的原生环境中想象它们。”
该团队进行的几个实验说明了细菌MERFISH可以回答的各种问题。例如，Moffitt和他的同事们能够证明，当缺乏葡萄糖时，单个大肠杆菌会尝试一个接一个地利用替代食物来源，以特定的顺序改变它们的基因表达。随着时间的推移，拍摄一系列基因组快照使研究小组能够拼凑出这种生存策略。
研究小组还深入了解了细菌如何在细胞内组织RNA，这可能对基因表达的不同方面是如何被调节的很重要。最后，他们表明，肠道细菌根据它们在结肠中的物理位置利用不同的基因。
Moffitt 说：“同样的细菌在几十微米的空间内可能会做非常不同的事情。他们看到不同的环境，做出不同的反应。以前很难解决这种差异，但现在我们可以回答人们一直梦寐以求的问题。”
该论文的共同作者是Moffitt实验室的Ari Sarfatis， Yuanyou Wang和Nana Twumasi-Ankrah。
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