自從超高分辨率熒光顯微鏡成像技術(shù)斬獲了2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)以后，熒光成像技術(shù)飛速發(fā)展。尤其是近些年來(lái)，科學(xué)家將顯微鏡的分辨率從幾百納米提高到了幾十納米，為生命科學(xué)研究提供了一個(gè)強(qiáng)大而有力的工具，從而讓我們能夠以一個(gè)全新的視角觀(guān)察奇妙的生物微觀(guān)世界。例如，存在于我們體內(nèi)的細(xì)菌群落在人類(lèi)健康和生物學(xué)中起著重要作用，而且這些微生物種類(lèi)繁多。但是這些微生物是如何起作用？它們之間又是如何在功能上相互作用？這些問(wèn)題都不得而知。
2020年3月24日，《Cell reports》期刊上刊登了哈弗大學(xué)牙科醫(yī)學(xué)院Borisy等人的研究成果—-一張“人舌頭表面的微生物群落”圖。研究發(fā)現(xiàn)，舌頭上的細(xì)菌不是隨機(jī)堆積的，它們其實(shí)有著非常復(fù)雜、高度結(jié)構(gòu)化的空間組織。用文章作者Borisy的話(huà)來(lái)說(shuō)：它們就像是我們的身體器官。在該工作中，研究人員使用了實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的組合標(biāo)記和光譜成像-熒光原位雜交（CLASI-FISH）技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)包括用多個(gè)熒光團(tuán)標(biāo)記給定類(lèi)型的微生物，極大地?cái)U(kuò)展了單一視野下同時(shí)識(shí)別和定位的不同種類(lèi)微生物的數(shù)量。這項(xiàng)工作的創(chuàng)新在于，以前沒(méi)有人能夠以區(qū)分所有不同細(xì)菌的方式來(lái)觀(guān)察舌頭上的生物膜，可視化它們?nèi)绾闻帕凶约?。以前大多?shù)關(guān)于細(xì)菌群落的研究?jī)H基于DNA測(cè)序，但是要獲得DNA序列，首先得研磨樣本提取DNA，這會(huì)破壞細(xì)菌群落神奇的空間結(jié)構(gòu)。而利用CLASI-FISH技術(shù)成像，可以在保留空間結(jié)構(gòu)的同時(shí)識(shí)別細(xì)菌。遺憾地是，雖然光譜成像和熒光原位雜交技術(shù)的組合，可以區(qū)分在同一圖像中捕獲的15種和120種不同類(lèi)型的微生物，但是這些技術(shù)的缺點(diǎn)是需要大量熒光標(biāo)記探針。突破！HiPR-FISH新技術(shù)可識(shí)別并創(chuàng)建數(shù)百種微生物的位置和特性空間圖近日，康奈爾大學(xué)Shi?Hao?和Iwijn De Vlaminck等人通過(guò)將新型探針設(shè)計(jì)與自定義圖像分析相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種超越先前FISH基準(zhǔn)的技術(shù)—通過(guò)熒光原位雜交進(jìn)行的高系統(tǒng)發(fā)育分辨率微生物組定位（HiPR-FISH），以創(chuàng)建數(shù)百種甚至數(shù)千種不同微生物物種的位置和特性的復(fù)雜空間圖。研究人員將該技術(shù)應(yīng)用于小鼠腸道微生物組和人類(lèi)口腔菌斑微生物組兩個(gè)不同的系統(tǒng)，成功獲得了相應(yīng)的微生物群結(jié)構(gòu)圖譜。該工具將幫助科學(xué)家了解復(fù)雜的微生物群落如何相互作用以及它們的環(huán)境（也就是我們的身體）。相關(guān)研究以“Highly multiplexed spatial mapping of microbial communities”為題，發(fā)表在《Nature》上，Shi?Hao?為文章的第一作者兼通訊作者，康奈爾大學(xué)Iwijn De Vlaminck教授為共同通訊作者。
如何識(shí)別并定位微生物群落要點(diǎn)一：為了定位微生物群落，研究人員設(shè)計(jì)了一種被稱(chēng)為編碼探針的DNA探針，使其與目標(biāo)細(xì)菌的物種特異性序列（16S核糖體RNA）相匹配。該編碼探針的兩側(cè)是探針的組成部分，稱(chēng)為讀出序列，每個(gè)讀出序列被融合到對(duì)特定讀出序列具有特異性的熒光團(tuán)的另一個(gè)DNA探針靶向。由于細(xì)菌細(xì)胞包含數(shù)百個(gè)16S rRNA復(fù)制片段，因此每種細(xì)菌都可以通過(guò)一系列編碼探針來(lái)靶向：每種靶向相同的RNA序列，但側(cè)翼為不同的讀出序列對(duì)，從而可以關(guān)聯(lián)多種讀出序列與特定的物種（圖2）。
要點(diǎn)三：根據(jù)所使用的編碼探針，每種細(xì)菌物種最多可以結(jié)合十種可能的熒光團(tuán)。這樣一來(lái)，該技術(shù)便可以“繪制”總共1,023種大腸桿菌的色彩組合（圖3d），每種顏色都用獨(dú)特的二進(jìn)制條形碼進(jìn)行熒光標(biāo)記。以識(shí)別單個(gè)細(xì)菌種類(lèi)。要點(diǎn)四：隨后使用共聚焦顯微鏡用激光點(diǎn)亮熒光標(biāo)記，可以通過(guò)光譜成像監(jiān)控和使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)圖像中的微生物進(jìn)行分類(lèi)，可以同時(shí)解碼細(xì)菌身份 （圖3g）。HiPR-FISH通過(guò)將編碼序列簡(jiǎn)化為廉價(jià)合成的DNA序列，并且僅需要十種不同類(lèi)型的熒光團(tuán)，從而產(chǎn)生了一種具有單細(xì)胞分辨率的高效且經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)。
Shi和同事使用自動(dòng)程序描繪密集人群中的大量單個(gè)細(xì)胞，使用HiPR-FISH定位，確定小鼠腸道樣品和人類(lèi)口腔微生物樣品中單個(gè)細(xì)菌的種類(lèi)，并繪制了它們的空間圖。
Iwijn De Vlaminck教授稱(chēng)：這種使用單細(xì)胞水平圖譜對(duì)復(fù)雜群落進(jìn)行分析，使得定量研究細(xì)菌的空間組織成為現(xiàn)實(shí)，例如確定宿主中特定微生物物種之間的距離。通過(guò)闡明微生物的生物地理學(xué)，這項(xiàng)工作為探索復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的微生物相互作用提供了新的途徑。這對(duì)于回答有關(guān)微生物群落行為的關(guān)鍵問(wèn)題非常重要，例如，微生物群之間互動(dòng)以及這些互動(dòng)是如何發(fā)生的，對(duì)宿主有何影響。因此，HiPR-FISH技術(shù)通過(guò)對(duì)復(fù)雜社區(qū)中數(shù)百種微生物之間的空間距離進(jìn)行微米級(jí)的制圖，開(kāi)啟了微生物生態(tài)學(xué)研究的新紀(jì)元。此外，空間作圖可能是研究并可能治療以細(xì)菌為主要罪魁禍?zhǔn)椎囊幌盗屑膊〉闹匾ぞ?，例如炎癥性腸病，結(jié)腸直腸癌和感染?！拔覀兿敫钊氲匮芯课⑸锶涸谄渲邪l(fā)揮重要作用的系統(tǒng)的生物學(xué)，并試圖了解當(dāng)您患上疾病時(shí)這些空間動(dòng)態(tài)如何變化，” 文章的第一作者Hao Shi說(shuō)。?“我們想看看是否能提供任何線(xiàn)索和治療見(jiàn)解，我們可以利用它們來(lái)幫助人們?！?/p>
