唧唧堂名校科研介绍2014-08-08 3:04 PM

芯片上的实验室,追查出微生物里的“头号通缉犯”

仅有信用卡大小的一种诊断工具已经确认了一种具有非常高价值的肠道微生物。该微生物包含了有趣的基因序列,但它也向实验室文化提出了挑战。 

研究人员使用被称为SlipChip的装置来分离来自患者肠道细菌的微生物,然后通过蚀刻在该设备上的微小通道来从基因上瞄准这一特定菌种。 随后它们在实验室中长成该单一生物体的纯种培养物。 有种早期猜测这一特定微生物可能与肥胖和脂肪肝疾病相关,并且最终可能帮助找到某种潜在益生菌治疗。 

大海捞针加强版之“无海易捞针”
 
加州理工学院技术(加州理工学院)化学和化工教授Rustem Ismagilov表示,虽然少数菌种只需要温暖环境和充足食物就能很容易在实验室中生长繁殖,但大多数生长在人身上和人体中的物种从未能在实验室条件下生长。重建菌群复杂性十分困难,比如在极小培养板上培养出整个人类微生物群落。

Ismagilov表示人体肠道样本中有成千上万的微生物物种,但当你在实验室条件下一起培养他们时,繁殖较快的细菌将秒杀繁殖缓慢的细菌而垄断整个培养板,这使得培养样本很难具有多样性。寻找研究感兴趣的繁殖缓慢微生物之难如同大海捞针,但他的研究小组仍致力于寻找一种“无海易捞针”的高效方法。

为了实现这一目标,来自Ismagilov实验室的博士后学者Liang Ma发明了一种能分离和培养研究感兴趣的细菌种类个体。他和同事们开始寻找含有特定基因序列的细菌种类。这种目标基因序列属于位列“最高通缉”微生物名单上的生物,该名单由卫生研究院(NIH)列出。携带这些基因序列的这种微生物在人身上和体内被大量发现,但一直难以在实验室条件下生长。 

为了培养这些难以捉摸的微生物,加州理工学院的研究人员开始利用由两片带有微小刻蚀槽的载玻片构成的SlipChip,当槽型表面彼此堆叠时该刻蚀槽就构成了信道。比如说当把采集自结肠镜活检的混杂细菌物种添加到SlipChip的互连通道中时,最顶层芯片的单独“滑动”能将信道转变为单独的井,并且理想状态下每口井含有单个微生物。一旦被隔离在单独的井中,每个细菌个体能很好的分裂和生长,而不必和其他繁殖快速的微生物竞争资源。Ismagilov表示研究随后需要确定SlipChip的哪个区域含有该目标细菌群,这并非易事。这使得研究陷入了两难境地,你必须杀死有机体,找到其DNA序列并弄清它是什么,但在研究最后又需要活的有机体来培育和研究这种新微生物。Liang用巧妙的方法解决了这一问题;他在SlipChip中培育了目标微生物的所有区域并在随后将其一分为二。保留一半活生物体的同时牺牲另一半来获得其DNA,从而来确认该序列就是靶微生物序列。这种在SlipChip中二分法预计将在发表于《Integrative Biology》杂志的研究文章中被列出。 

“通缉”名单 

为了验证新方法,研究人员从人类微生物组项目的“通缉”名单中分离出了特定菌种。研究者使用SlipChip在被用于收集志愿者肠道细菌样品的微量洗涤液中培育这种细菌。由于细菌通常依赖于源自细胞外环境的营养物质和信号来维持生命,来自该流体中的物质被用于在微型SlipChip区域中重建这种环境,即在实验室中成功培育该种复杂生物体的关键。在培育这种以前未知的纯菌群后,Ismagilov和同事获得了足够遗传物质来测序该生物体的高质量基因组草图。虽然该新生物体的基因组序列是一种高效工具,但仍需进一步研究来了解该微生物类群是如何与人体健康相关的。Ismagilov表示,新SlipChip技术在未来可用来隔离另外的先前未培养的微生物,这使研究人员能够关注于重要目标,比如那些可能与能源应用和生产益生菌相关的目标。这项技术使研究人员能够以前所未有的新方法来“瞄准”特定微生物。 

来自加州理工学院和芝加哥大学的其他研究人员也参与了该项目的合作,美国国立卫生研究院国家人类基因组研究所为该研究项目提供了资金支持。


英文报道
LAB-ON-A-CHIP TRACKS DOWN ‘MOST WANTED’ MICROBE
http://www.jijitang.com/note/5564

论文原文
《Individually addressable arrays of replica microbial cultures enabled by splitting SlipChips》, 2014年8月发表于 《Integrative Biology》. 
http://www.jijitang.com/note/5570

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