科學家發現細菌中放大1000倍的驚人現象

透過將MERFISH成像技術與擴展顯微鏡結合，科學家開闢了在單細胞層級研究細菌的新方法。這項新成果使我們能夠更深入地觀察細菌如何回應環境活化不同類型的基因，從而深入了解細菌行為、抗生素抗藥性和感染策略。

細菌的工作原理

細菌——無論是我們體內的有益細菌還是危險的致病菌株——如何協調它們的活性？最近的一項研究將先進的基因組顯微鏡與突破性技術相結合，追蹤細菌在不同條件和環境下活化的基因，提供了新的見解。這項突破最近發表在《科學》雜誌上，有望將細菌研究推向新的高度。

美國波士頓兒童醫院細胞和分子醫學計畫 (PCMM) 的 Jeffrey Moffitt 博士及其同事使用 Moffitt 協助開發的分子成像技術 MERFISH，同時分析了數千個單一細菌樣本中的信使 RNA (mRNA)。該方法不僅可以大規模地繪製基因表現圖，還可以揭示空間因素如何影響細菌基因活化——這是以前從未做過的事情。

細菌成像的挑戰

然而，研究小組首先必須克服一個重大挑戰：細菌 RNA（即細菌轉錄組）密集堆積在微小細胞內，因此難以區分和成像。

團隊借用實驗室開發的一種名為「擴展顯微鏡」的技術，將標本嵌入一種特殊的水凝膠中。他們將 RNA 固定到凝膠中，並改變其中的化學緩衝溶液。這會導致凝膠膨脹，使樣本尺寸增加 50 到 1000 倍。此時，所有細菌 RNA 都變得可單獨消化。

細菌基因表現是什麼意思？

到目前為止，科學家通常透過對整個細菌群體進行平均來測量細菌行為。識別單一細菌所使用的基因的能力可以為細菌相互作用、毒性、壓力反應、抗生素抗藥性、生物膜形成（如導管中的生物膜形成）等提供強有力的新見解。

「我們現在有了工具來回答有關宿主-微生物和微生物-微生物相互作用的有趣問題，」莫菲特說。 “我們可以探索細菌如何交流和競爭空間位置，並確定細菌群落的結構。我們還可以探討致病細菌在感染哺乳動物細胞時如何調節其基因表現。”

Bacteria-MERFISH 還可以提供在培養皿中難以生長的細菌的資訊。現在科學家不需要培育它們，而只需在自然環境中拍攝它們即可。

單細胞層次洞察細菌生存策略

研究小組進行的一些實驗說明了 Bacterial-MERFISH 可以回答的問題類型。例如，莫菲特及其同事能夠證明，當單一大腸桿菌細胞缺乏葡萄糖時，它會嘗試依次利用替代食物來源，從而按照特定順序改變其基因表現。透過隨著時間的推移拍攝一系列基因快照，研究小組能夠拼湊出這種生存策略。

研究小組還獲得了有關細菌如何在細胞內組織其 RNA 的信息，這可能對於調節基因表現的不同方面非常重要。以前，應對這樣的轉變非常困難，但現在這項工作變得容易多了。