科學家讓細菌放大千倍，揭開不可思議的秘密

透過將MERFISH成像技術與擴充套件顯微鏡技術相結合，研究人員開闢了一條在單細胞層次研究細菌的全新途徑。這使得他們能夠觀察到細菌如何根據所處環境啟動不同的基因，從而深入瞭解微生物的行為、抗藥性以及感染策略。

不論是存在於我們體內的有益細菌，還是會導致疾病的有害菌種，它們究竟是如何協調自身活動的呢？最近的一項研究透過將先進的基因體規模顯微鏡技術與一種創新方法相結合，提供了全新的見解。該方法能夠追蹤細菌在不同條件和環境下啟動了哪些基因。這項突破性研究成果近期發表於《科學》期刊，預計將大幅推動細菌研究的進展。

波士頓兒童醫院細胞與分子醫學計畫（PCMM）的傑弗裡・莫菲特博士及其同事，運用了由莫菲特參與開發的分子成像技術MERFISH，一次性分析了數千個單一細菌中的信使核糖核酸（mRNA）。這種方法不僅能大規模繪製基因表達圖譜，還揭示了空間因素如何影響細菌啟動哪些基因，這是前所未有的成就。

然而，研究團隊首先必須克服一個重大挑戰：細菌的核糖核酸，也就是細菌轉錄體，密集地堆積在微小的細胞內，難以分辨和成像。莫菲特表示：「那簡直是一場災難，我們什麼都看不到。」

他們借鑑了麻省理工學院埃德・博伊登博士實驗室開發的擴充套件顯微鏡技術，將樣本嵌入一種特殊的水凝膠中。他們把核糖核酸固定在這種凝膠上，並改變凝膠中的化學緩衝液。這使得凝膠膨脹，樣本的體積擴大了50到1000倍。莫菲特說：「所有細菌的核糖核酸都能被單獨解析了。」

在此之前，科學家們通常是對某一細菌群體的行為進行平均分析。而如今能夠確定單個細菌正在使用哪些基因，這將為我們深入瞭解細菌之間的相互作用、致病性、應激反應、抗藥能力、形成如導管中生物膜的能力等提供強大的新見解。

莫菲特表示：「我們現在有工具來解答關於宿主與微生物、微生物與微生物之間相互作用的有趣問題了。我們可以探索細菌如何進行溝通和競爭空間生態位，以及確定微生物群落的結構。我們還可以研究致病細菌在感染哺乳動物細胞時如何調整其基因表達。」

細菌MERFISH技術還能讓我們深入瞭解那些難以在培養皿中培養的細菌。莫菲特說：「現在我們不必培養它們，直接在它們的原生環境中成像就可以了。」

研究團隊進行了幾項實驗，展示了細菌MERFISH技術能夠解答的問題型別。例如，莫菲特及其同事發現，當大腸桿菌缺乏葡萄糖時，個體細菌會依次嘗試利用其他替代食物來源，並按照特定順序改變其基因表達。透過隨時間拍攝一系列基因體快照，研究團隊得以拼湊出這種生存策略。

研究團隊還深入瞭解了細菌如何在細胞內組織其核糖核酸，這可能對基因表達的不同方面的調控至關重要。最後，他們發現腸道細菌會根據其在結腸中的物理位置啟動不同的基因。

莫菲特說：「同一種細菌在幾十微米的空間內可能會有截然不同的行為。它們感知到不同的環境，並做出不同的反應。以前很難研究這種差異，但現在我們能夠解答人們一直夢寐以求的問題了。」

參考文獻：Ari Sarfatis、Yuanyou Wang、Nana Twumasi - Ankrah和Jeffrey R. Moffitt所著的《細菌中的高度多重空間轉錄組學》，2025年1月24日，《科學》期刊。DOI: 10.1126/science.adr0932。該論文的共同作者包括莫菲特實驗室的Ari Sarfatis、王遠友博士和Nana Twumasi - Ankrah。