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突破!这项诺贝尔化学奖技术,再次登上《Nature》!康奈尔大学Shi Hao 一作兼通讯-岩拓气凝胶

突破!这项诺贝尔化学奖技术,再次登上《Nature》!康奈尔大学Shi Hao 一作兼通讯

自从超高分辨率荧光显微镜成像技术斩获了2014年诺贝尔化学奖以后,荧光成像技术飞速发展。尤其是近些年来,科学家将显微镜的分辨率从几百纳米提高到了几十纳米,为生命科学研究提供了一个强大而有力的工具,从而让我们能够以一个全新的视角观察奇妙的生物微观世界。例如,存在于我们体内的细菌群落在人类健康和生物学中起着重要作用,而且这些微生物种类繁多。但是这些微生物是如何起作用?它们之间又是如何在功能上相互作用?这些问题都不得而知。

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2020年3月24日,《Cell reports》期刊上刊登了哈弗大学牙科医学院Borisy等人的研究成果—-一张“人舌头表面的微生物群落”图。研究发现,舌头上的细菌不是随机堆积的,它们其实有着非常复杂、高度结构化的空间组织。用文章作者Borisy的话来说:它们就像是我们的身体器官。在该工作中,研究人员使用了实验室开发的组合标记和光谱成像-荧光原位杂交(CLASI-FISH)技术,这项技术包括用多个荧光团标记给定类型的微生物,极大地扩展了单一视野下同时识别和定位的不同种类微生物的数量。这项工作的创新在于,以前没有人能够以区分所有不同细菌的方式来观察舌头上的生物膜,可视化它们如何排列自己。以前大多数关于细菌群落的研究仅基于DNA测序,但是要获得DNA序列,首先得研磨样本提取DNA,这会破坏细菌群落神奇的空间结构。而利用CLASI-FISH技术成像,可以在保留空间结构的同时识别细菌。遗憾地是,虽然光谱成像和荧光原位杂交技术的组合,可以区分在同一图像中捕获的15种和120种不同类型的微生物,但是这些技术的缺点是需要大量荧光标记探针突破!HiPR-FISH新技术可识别并创建数百种微生物的位置和特性空间图近日,康奈尔大学Shi Hao 和Iwijn De Vlaminck等人通过将新型探针设计与自定义图像分析相结合,开发了一种超越先前FISH基准的技术—通过荧光原位杂交进行的高系统发育分辨率微生物组定位(HiPR-FISH),以创建数百种甚至数千种不同微生物物种的位置和特性的复杂空间图。研究人员将该技术应用于小鼠肠道微生物组和人类口腔菌斑微生物组两个不同的系统,成功获得了相应的微生物群结构图谱。该工具将帮助科学家了解复杂的微生物群落如何相互作用以及它们的环境(也就是我们的身体)。相关研究以“Highly multiplexed spatial mapping of microbial communities”为题,发表在《Nature》上,Shi Hao 为文章的第一作者兼通讯作者,康奈尔大学Iwijn De Vlaminck教授为共同通讯作者。

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如何识别并定位微生物群落要点一:为了定位微生物群落,研究人员设计了一种被称为编码探针的DNA探针,使其与目标细菌的物种特异性序列(16S核糖体RNA)相匹配。该编码探针的两侧是探针的组成部分,称为读出序列,每个读出序列被融合到对特定读出序列具有特异性的荧光团的另一个DNA探针靶向。由于细菌细胞包含数百个16S rRNA复制片段,因此每种细菌都可以通过一系列编码探针来靶向:每种靶向相同的RNA序列,但侧翼为不同的读出序列对,从而可以关联多种读出序列与特定的物种(图2)。

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要点三:根据所使用的编码探针,每种细菌物种最多可以结合十种可能的荧光团。这样一来,该技术便可以“绘制”总共1,023种大肠杆菌的色彩组合(图3d),每种颜色都用独特的二进制条形码进行荧光标记。以识别单个细菌种类。要点四:随后使用共聚焦显微镜用激光点亮荧光标记,可以通过光谱成像监控和使用机器学习算法对图像中的微生物进行分类,可以同时解码细菌身份 (图3g)。HiPR-FISH通过将编码序列简化为廉价合成的DNA序列,并且仅需要十种不同类型的荧光团,从而产生了一种具有单细胞分辨率的高效且经济高效的技术。

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Shi和同事使用自动程序描绘密集人群中的大量单个细胞,使用HiPR-FISH定位,确定小鼠肠道样品和人类口腔微生物样品中单个细菌的种类,并绘制了它们的空间图。

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Iwijn De Vlaminck教授称:这种使用单细胞水平图谱对复杂群落进行分析,使得定量研究细菌的空间组织成为现实,例如确定宿主中特定微生物物种之间的距离。通过阐明微生物的生物地理学,这项工作为探索复杂生态系统中的微生物相互作用提供了新的途径。这对于回答有关微生物群落行为的关键问题非常重要,例如,微生物群之间互动以及这些互动是如何发生的,对宿主有何影响。因此,HiPR-FISH技术通过对复杂社区中数百种微生物之间的空间距离进行微米级的制图,开启了微生物生态学研究的新纪元。此外,空间作图可能是研究并可能治疗以细菌为主要罪魁祸首的一系列疾病的重要工具,例如炎症性肠病,结肠直肠癌和感染。“我们想更深入地研究微生物群在其中发挥重要作用的系统的生物学,并试图了解当您患上疾病时这些空间动态如何变化,” 文章的第一作者Hao Shi说。 “我们想看看是否能提供任何线索和治疗见解,我们可以利用它们来帮助人们。”

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