科学家尝试用新方法探索未知抗生素
时间:2017-12-07

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  罗伯特·海因岑(Robert Heinzen)第一次尝试种植黄尾叶蝉(C.cospospora)本身。这种导致流感样疾病的细菌称为Q热,通常只在受感染的细胞中分裂。这迫使研究人员在哺乳动物组织中生长,阻碍他们研究这些微生物的努力。 20世纪90年代初,海因岑在博士后期间试图找到一种不同的方式培养这种细菌,他只得到了一半的笔记。

  但这个问题一直让他平静。直到2003年,GenBank被测序,Heinzen在蒙大拿州汉密尔顿的NIH洛基山实验室建立了自己的实验室。他认为,基因组可以为这种细菌的代谢和生长提供重要的线索。尽管如此,Heinzen领导的博士后Anders Omsland花费了将近四年的时间,系统地测试了数百种不同的培养条件组合,以找到培养细菌细胞外的完美配方。当他向我展示细菌的培养时,我认为这是一种污染物。海因岑回忆说。然而,接下来几个月的努力证实了他们的成功。

  贝齐尔考克斯身体仍然是少数。据估计,85%到99%的细菌和古细菌不能在实验室中生长。这大大限制了科学家对微生物生命的了解,阻碍了寻找新的抗生素,通常来自细菌。随着现有药物的耐药性急剧上升,这项研究变得更加紧迫:上个月,世界卫生组织批准了一项阻止抗生素耐药性的全球计划并由英国政府任命的一个法官小组呼吁全球制药业正在投资13亿英镑(20亿美元)振兴抗生素。研究人员说,要找到新药,他们需要一些替代方法来调查无数的暗物质在未被管理的微生物世界中。

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  按照惯例,生物学家通过在一系列相当标准的营养物质中培养物种的纯培养物来研究微生物。然而,麻烦在于,细菌并不像自然界那样生存:它们生活在非常广泛的环境中,常常伴随着其他生物体,科学家们不断尝试重新创造这些条件。然而,正如海因岑和奥姆斯兰德在关于贝塞特柯克身体的研究中所表明的,基因序列打开了大门。

  Omsland使用测序来比较当细菌在宿主细胞中成功生长时表达的基因与它们试图自行生长时表达的基因。他发现一组参与蛋白质合成的基因在挣扎的细菌中活性较低。这表明向培养基中添加氨基酸和肽可以帮助细菌繁殖。然而,即使成功增加了13倍的细菌蛋白质合成,欧姆斯兰德公司也未能分裂。

  最终的线索来自证明科里奥利能够在缺氧环境中生存的基因。当研究小组把细菌放在5%或更少的氧气中时,他们最终看到它在增长。这是一个至关重要的发现。 Heinzen说这不是营养素,而是环境因素。

  自推出异质或无主的新型文化技术以来,贝叶斯考克斯领域得到了极大的拓展。研究人员通过有选择地打开和关闭基因,了解到这种细菌如何与宿主细胞相互作用,而宿主细胞又会感染和分裂。可以毫不夸张的说,在没有异质生物的情况下,白塞的celosites的发展为这一领域的研究带来了革命,澳大利亚墨尔本大学的微生物学家Hayley Newton和贝叶斯考克斯(Bayesian Coxs)在空气中传染,被认为是一种可能的生物威胁,海因岑实验室目前正在研究那些已经失活基因的菌株,因此在开发疫苗时可以派上用场。

  与此同时,研究人员正在为仅在细胞内生长的其他微生物设计培养系统。曾在华盛顿州立大学工作的欧姆斯兰德开发了沙眼衣原体的无细胞培养物,导致最常见的性传播疾病。他表示,目前沙眼衣原体还没有被诱导分化,但我很乐观,在Belkoches的成功为他的希望提供了燃料。

  小型文化

  加快查找食谱的一个方法是使用微流控芯片。这是一个具有不同通道连接的通道,可以同时运行多个测试。利用这种方法培育出一种新细菌后,加州理工学院的Rustem Ismagilov及其合作者甚至将其命名为微流控菌。

  当一群微生物学家在2012年公布了一份最需要的分类群的清单时,伊斯马尔吉洛夫已经在研究微流体学。当时,他们呼吁科学界对人体中相对常见的生物体进行生长和排序,来自所有试图培育的微生物。

  伊斯马尔吉洛夫和他的团队使用一个装有3200纳升大小的凹槽的设备来回应这个问题,可以放在你的手掌上。他们从一名健康的志愿者的肠壁上挖出样本并稀释,使得每口井只有一个细胞。通过填充这么多的凹槽,研究人员为其目标微生物增加了一种机会,使其属于一种属于Bradyrhinus属的致病细菌,以进入至少一些凹槽。该团队使用了大约10个芯片来测试各种条件,并寻找这种细菌的生长。

  他们成功地找到了细菌,然后在培养皿中生长出更多的细菌。这是最早被列入名单的成员之一。进一步的基因研究表明,分离微流体1是错误分类的,实际上并不是Charizone的一个属。实际上,它是一个新的相关植物群的一部分。目前,该团队正在描绘新的植物群的特征。

  研究小组发现,这种细菌生长的一个重要组成部分是从志愿者肠内提取的少量液体。伊斯马尔吉洛夫说,在数千次测试中扩大使用这种珍贵的样品是微流体技术的重要优势。另一个优点是每个初始细胞不必与其他人群竞争。

  密歇根大学的化学工程师林晓娜正在利用微流体技术来追捕人类粪便样本中最受通缉的成员。细菌通常生活在复杂的社区,往往依赖于其他人群。为此,林正试图把无数个二,三,四个单元组合在一起,放在一个芯片上来解析关系,找出谁取决于谁。这是一个很好的工程方法。密歇根大学传染病研究员文森特·杨(Vincent Young)正在帮助林某获得临床样本,他说,你可以快速降低复杂性。

  不要训练排序

  尽管取得了这些成功,但培养细菌依然是一项复杂而艰巨的任务。因此,许多研究人员完全绕过它,而是从基因获取信息。测序的进展意味着现在科学家们可以分析没有被培养的个体微生物细胞的基因组,而不是象以前那样对许多不同类型的微生物群落进行测序,并试图将它们重新拼接在一起。

  来自美国能源部联合基因组研究所的Tanja Woyke在十年前的一项关键发现后不久首次对单细胞测序产生了兴趣,发现可以使用一种来自细菌感染病毒的酶制作细菌细胞基因组的多个拷贝。沃伊克想用测序工具来填充活的微生物树。

  她和她的团队从九个不同的生境采集了样品,包括内华达的温泉沉积物和太平洋热液喷口的水。他们分离了大约200个细胞,对每个基因组进行测序,然后将这些细胞分成20多个不含有任何代表性细菌的新细胞系。从分析的序列数量和分析的单细胞数量来看,单细胞基因组学首次实现了新的水平。德国维尔茨堡大学(University ofWürzburg)的海洋微生物学家Ute Hentschel说。

  去年,瑞士联邦理工学院的JörnPiel和他的同事报告说,他们使用单细胞测序和其他技术来鉴定海绵中未经培养的细菌。这些过滤器长期以来一直为科学家所关注,因为他们生产的化学品种类丰富,具有抗癌,抗菌和其他药物价值。它们还可以容纳占海绵块40%的致密微生物群落,并被认为是这些化学物质的来源。然而,这些社区的成员从来没有被培养过。

  皮尔和他的团队专注于Theonella swinhoei海绵。它可以庇护大约1000种细菌,并产生数十种具有生物活性的已知化合物。 2011年,他们开始对从海绵样品中分离出来的单个细菌细胞的DNA进行测序,发现有两个已知参与生物活性分子产生的基因簇。他们在一种名为Entotheonella的细菌中发现了这些基因。

  然而,皮尔最惊讶的是,这种有机体几乎是所有与海绵有关的生物活性化合物的原因。当序列数据显示细菌收容所有必需的基因时,这变得清楚。当皮尔收到他的合作者的重要数据时,我差点从椅子上掉下来。这是第一个证据表明,这种未开化的细菌可以成为生物活性化学品的天才生产者。在单一菌株中产生许多不同化合物的能力并不常见。皮尔说。

  目前,Piel实验室正试图将Entotheonella的基因簇转化为大肠杆菌等有生命力的生物体,使宿主能够大量生产这种化合物,他还从日本,巴布亚新几内亚和以色列采集海绵细菌基因组以期找到其他优秀的细菌生产者(宗华)

  中国科学通报(2015-06-25第3版国际)

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  自然报告(英文)