通过将MERFISH成像与扩增显微镜相结合，研究人员开辟了一种在单细胞水平上研究细菌的新方法。

这使他们能够看到细菌如何激活不同的基因以响应其环境，从而为微生物行为，抗生素耐药性和感染策略提供见解。

细菌如何组织它们的活动

细菌 —— 无论是我们体内有益的还是有害的致病菌株 —— 是如何协调它们的活动的？最近的一项研究提供了新的见解，通过结合先进的基因组尺度显微镜和一种创新技术来跟踪细菌在不同条件和环境下激活的基因。最近发表在《科学》杂志上的这一突破将显著推进细菌研究。

Jeffrey Moffitt博士和他在波士顿儿童医院细胞和分子医学项目（PCMM）的同事们使用Moffitt帮助开发的分子成像技术MERFISH同时分析了数千种细菌中的信使RNA（mRNAs）。这种方法不仅大规模地绘制了基因表达图谱，还揭示了空间因素如何影响细菌开启哪些基因 —— 这是前所未有的。

克服细菌成像的挑战

然而，研究小组首先必须克服一个重大挑战：细菌RNA，或细菌转录组，密集地堆积在微小的细胞内，使它们难以区分和成像。“这完全是一场灾难，我们什么也看不见，”Moffitt说。

他们借用麻省理工学院Ed Boyden博士实验室开发的一种技术 —— 扩展显微镜 —— 将样品嵌入一种特殊的水凝胶中。他们将RNA固定在凝胶上并改变凝胶中的化学缓冲液。这引发了它的膨胀，使样品的体积扩大了50到1000倍。莫菲特说：“所有的细菌RNA都可以单独分解。”

为什么要测量细菌基因表达？

到目前为止，科学家们对特定细菌种群的细菌行为进行了平均计算。确定单个细菌使用的基因的能力可以为细菌相互作用、毒力、应激反应、抵抗抗生素的能力、形成像导管中那样的生物膜的能力等提供强有力的新见解。

“我们现在有了工具来回答关于宿主-微生物和微生物-微生物相互作用的有趣问题，”Moffitt说。“我们可以探索细菌如何交流和竞争空间生态位，并定义微生物群落的结构。我们可以问致病细菌在感染哺乳动物细胞时如何调整它们的基因表达。”

细菌MERFISH还可以提供对难以在培养皿中生长的细菌的见解。Moffitt说：“现在我们不必培养它们，我们可以在它们的原生环境中给它们拍照。”

单细胞洞察细菌生存策略

该团队进行的几个实验说明了细菌MERFISH可以回答的各种问题。例如，Moffitt和他的同事们能够证明，当缺乏葡萄糖时，单个大肠杆菌会尝试一个接一个地利用替代食物来源，以特定的顺序改变它们的基因表达。随着时间的推移，拍摄一系列基因组快照使研究小组能够拼凑出这种生存策略。

研究小组还深入了解了细菌如何在细胞内组织RNA，这可能对基因表达的不同方面是如何被调节的很重要。最后，他们表明，肠道细菌根据它们在结肠中的物理位置利用不同的基因。

细菌研究的新时代

Moffitt说：“同样的细菌在几十微米的空间内可能会做非常不同的事情。”“他们看到不同的环境，做出不同的反应。以前很难解决这种差异，但现在我们可以回答人们一直梦寐以求的问题。”

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