先进的成像技术捕捉不同环境中的细菌基因表达

细菌——生活在我们体内的无害细菌，或引起疾病的细菌——是如何组织它们的活动的？一项新的研究将强大的基因组尺度显微镜与技术创新相结合，捕捉到了细菌在不同情况和不同空间环境中开启的基因

1月23日发表在《科学》杂志上的这项技术有望将细菌研究提升到一个新的水平

Jeffrey Moffitt博士和波士顿儿童医院细胞和分子医学项目（PCMM）的同事们应用了MERFISH，这是一种分子成像技术，Moffitt帮助开发的，可以同时分析数千种单一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）的一个主要障碍。因为细菌细胞很小，它们的RNA紧紧地挤在里面并混合在一起，这使得它们很难被成像和识别。莫菲特说：“这是一场彻底的灾难，我们什么都看不见。”

借用麻省理工学院Ed Boyden博士实验室开发的一种技术——膨胀显微镜——他们将样品嵌入一种特殊的水凝胶中。他们将RNA锚定在这种凝胶上，并改变了凝胶中的化学缓冲液。这引发了它的膨胀，使样品的体积膨胀了50到1000倍。Moffitt说：“所有的细菌RNA都可以单独解析。”

为什么要测量细菌基因表达

到目前为止，科学家们已经对给定细菌种群的细菌行为进行了平均。确定单个细菌正在使用哪些基因的能力可以为细菌相互作用、毒力、应激反应、抗抗生素能力、形成导管中生物膜等提供强有力的新见解

Moffitt说：“我们现在有了工具来回答有关宿主微生物和微生物-微生物相互作用的有趣问题。”。“我们可以探索细菌如何交流和竞争空间生态位，并确定微生物群落的结构。我们还可以询问致病菌在感染哺乳动物细胞时如何调整其基因表达。”

细菌MERFISH还可以提供对难以在培养皿中生长的细菌的见解。莫菲特说：“现在我们不必培养它们，我们可以在它们的原生环境中给它们拍照。”

单细胞见解

该团队进行的几项实验说明了细菌MERFISH可以回答的问题。例如，Moffitt及其同事能够证明，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团队能够拼凑出这种生存策略

该团队还深入了解了细菌如何在细胞内组织其RNA，这可能对基因表达的不同方面如何受到调控很重要。最后，他们发现肠道细菌会根据它们在结肠中的物理位置来利用不同的基因

Moffit说：“同样的细菌可以在几十微米的空间内做非常不同的事情。”。“他们看到了不同的环境，对环境的反应也不同。以前很难解决这种变化，但现在我们可以回答人们一直梦想的问题类型。”

这篇论文的合著者是莫菲特实验室的阿里·萨法蒂斯、王元友博士和Nana Twumasi-Ankrah