研究人员开发新技术观察微生物种群相互作用

细菌和真菌等微生物共同生活在被称为微生物群落的环境中。其中一些群落自然存在于土壤、食物、水，甚至人类的肠道和皮肤中。其他群落则被设计在一起，以降解污染物或生产或转化化学物质。

科学家研究微生物群落，以了解和剖析微生物之间发生的复杂相互作用，从而解释它们的可观察行为并设计新的有益群落。

研究人员一直认为，微生物相互作用是通过向其环境或培养基中释放特定化学物质而发生的。其他细胞可以吸收这些化学物质，但人们一直认为这种交换是在群落中不同细胞之间不交换细胞物质的情况下发生的。

“但越来越多的证据表明，不同的细胞可能会大规模交换物质，”Unidel Eugene du Pont 工程学院化学和生物分子工程系教授 Eleftherios “Terry” Papoutsakis 说道。“我们需要工具来检验这种可能性。”

这种细胞物质以群体或“集体”的形式意外交换会改变细胞群中个体成员的行为，并可能导致新的合成能力和代谢活动的发展以及能量节约。此类改变可用于许多实际应用，有利于可持续发展和环境。

特拉华大学的研究人员开发了一种新技术来观察这些合成(人造)微生物群落中的细胞群体如何相互作用。他们在《mSystems》杂志上发表了他们的研究成果。这项研究强调了一种获取微生物行为及其种群动态线索的新方法。所检查的细菌培养物也可能成为帮助对抗气候变化的工具。

新的诊断工具

几年前，特拉华大学的研究人员在同时培养两种细菌时，发现细胞出现了一些异常现象。

特拉华大学化学与生物分子工程系四年级博士生约翰希尔 (John Hill) 表示：“细胞会在两极聚集，然后交换大量来自细胞质内部的物质。”

细胞质是细胞内的一种粘稠液体，其中包含所有遗传信息和细胞机制，使细胞能够生存和复制。希尔说，细菌细胞聚集在一起并交换这种物质是不寻常的，因为这些细胞最终产生了杂交细胞——含有两种生物体细胞质物质的混合物的细胞，这是以前从未见过的。

其他研究人员此前曾证明，蛋白质可以在细胞间交换。但特拉华大学的研究人员还有更多疑问，希望更进一步。他们想知道：微生物的大型细胞机制是否可以在细胞间交换?

希尔说：“这告诉我们，细菌有从邻居那里快速获得新细胞功能的方法。”

为了弄清这一点，研究人员将荧光标签附着在微生物的核糖体核糖核酸 (rRNA) 上，这是一种单链分子，为细胞的核糖体提供支架。核糖体是一种大型复合体，负责合成细胞中的蛋白质。

可以使用显微镜来确定荧光标签的位置，因为它发出的光“就像一个小灯泡”，希尔喜欢这样描述它。“除了 rRNA 所在的这个小光点外，细胞完全是黑暗的，”他说。

研究人员使用的技术称为 rRNA 荧光原位杂交 (rRNA-FISH)，该技术可以让研究人员使用荧光显微镜和流式细胞术来观察和追踪微生物。

流式细胞术能够快速、高通量地定量检测大量细胞。虽然 rRNA-FISH 多年来一直用于物种鉴定，但在此使用这种方法是新颖的，可以带来意想不到的发现并促进新的应用。

研究人员特别观察了三种细菌培养物，即丙酮丁醇梭菌、杨氏梭菌和克鲁维梭菌，以了解这些细菌如何相互作用。每种细菌都被赋予了独特的颜色或荧光标签。

研究团队采用了一些工具来标记核糖体物质，使用不同颜色的荧光探针来标记每种细胞类型中非常丰富的 rRNA。他们拍摄了显微图像，并使用流式细胞术来追踪细胞群中的有色荧光信号以及标记细胞的信号如何随时间变化。

“我们发现一些细胞有两种不同的颜色，”希尔说，“这表明这些细胞的核糖体物质来自两个不同的物种。由此推论，这些细胞在某个时间点实际上交换了核糖体物质。”

这意味着它们含有来自不止一种生物体的核糖体，因此，由于核糖体 RNA 和核糖体是非常大的分子和分子结构，这表明每种微生物类型都会与不同的微生物交换细胞物质。而且是集体交换。

气候应用

科学家研究的三种细菌都参与了对抗气候变化——去除大气中的二氧化碳，减少进入大气的新二氧化碳的数量，这导致极端天气增多，如酷热、干旱、风暴和火灾。

“每个人都想从大气中去除二氧化碳，并将废弃的二氧化碳转化为有用的化学品，”帕普特萨基斯说。“这就像一个循环经济。你把废物转化为有用的产品。”

每个物种在联合体中都有自己的特殊作用。丙酮丁酸梭菌可以将碳水化合物发酵成有用的化学物质，可用于多种用途，包括生物燃料。杨氏梭菌可以将二氧化碳转化为有机分子。克鲁维梭菌可以将短链醇和有机酸转化为长链脂肪酸，这些脂肪酸在个人护理、健康和材料合成领域的产品中具有广泛的应用。

Hill 解释说，虽然丙酮丁醇梭菌的发酵过程会释放二氧化碳，但杨氏梭菌却能吸收产生的二氧化碳，从而抵消二氧化碳。反过来，克鲁维梭菌又能将这些产品升级为更有价值的东西。

“这意味着我们在某种程度上接近碳中性，甚至在某些情况下接近碳负性发酵，这意味着我们实际上能够向系统注入更多的二氧化碳， ”希尔说。“但这也意味着我们提高了从相同数量的糖底物中生产可用产品的能力。这对工艺经济性更有利，但释放的二氧化碳也更少。 ”

帕普特基斯表示，他希望继续使用 rRNA-FISH 技术来进一步了解细胞如何彼此共享细胞物质。

“但从广义上讲，我们将使用 rRNA-FISH 作为诊断和合成工具来优化微生物培养条件，”帕普特基斯说，“并且能够通过固定二氧化碳来生产我们想要的化学物质。这确实是我们现在所处的状态。”