Nat Commun:微生物組的可靠「時鐘」

2020-11-29 生物谷

2019年10月12日 訊 /生物谷BIOON/ --儘管人類微生物組在過去幾年中受到了人們的廣泛關注，但一直以來難以觀察其在各種刺激下隨時間變化的情況。最常見的分析方法是從糞便樣本中提取細菌，然後對它們的基因組進行測序，但是這種方法會丟失腸道中細菌的位置和時間等關鍵信息。

 

如今，來自哈佛大學的研究人員創建的一種新工具提供了解決此問題的方法，他們設計改造了一部分細菌基因，可以用於檢測和記錄菌群隨著時間變化的情況。相關結果發表在最近的《Nature communications》雜誌上。

 

（圖片來源：Www.pixabay.com）

 

該系統使用「基因電路」，作為測量細菌生長的遺傳「時鐘」。該調控因子由三個細菌基因組成，這些細菌基因編碼三種蛋白質（tetR，cl和lacI），每種蛋白質均阻斷其他一種蛋白質的表達。這些基因被連結到一個負反饋迴路中，因此當一種阻斷蛋白的濃度降低到一定水平以下時，受其影響的蛋白就會順利表達出來，從而阻止了第三種蛋白的表達，並且進行不斷重複，形成周期效應。

 

當將所有三個基因都插入質粒並轉入細菌後，完成的負反饋循環次數可以作為細菌經歷了多少次細胞分裂的記錄。每當細菌分裂時，存在於細胞質中的任何負調控蛋白都會被稀釋，因此它們的濃度會逐漸下降並觸發循環中下一個蛋白的表達。

 

研究人員將這三種阻抑蛋白中的每一種與不同顏色的螢光分子偶聯，並開發了一種稱為RINGS（單細胞水平基於阻抑劑的生長推斷）的成像工作流程，以追蹤細菌生長過程中不同時間點表達的蛋白。作者說：「基於這些負調控蛋白在起始菌落的單一細菌中具有活性，隨著細菌菌落的向外生長，菌落隨之產生了不同的螢光，呈樹環狀特徵。螢光環的模式記錄了自生長開始以來發生了多少次循環，我們可以分析該模式以研究不同細菌之間和不同環境下的生長速率如何變化。」

 

使用RINGS，該團隊能夠成功追蹤體外培養的幾種不同細菌的細胞分裂，並觀察到，當細菌在小鼠腸道提取的樣品上生長（模擬複雜的微環境），或暴露於抗生素中時，細菌的再加壓周期的長度保持一致。（以模擬壓力條件和不一致的生長方式）。總之，作者希望他們的新型工具有助於動態追蹤腸道微生物的生長情況（生物谷Bioon.com）



原始出處：David T. Riglar, David L. Richmond, Laurent Potvin-Trottier, Andrew A. Verdegaal, Alexander D. Naydich, Somenath Bakshi, Emanuele Leoncini, Lorena G. Lyon, Johan Paulsson, Pamela A. Silver. Bacterial variability in the mammalian gut captured by a single-cell synthetic oscillator. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-12638-z

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