FISH-STORM:微生物研究的新工具[創新技巧]

【字體: 時間:2013年01月16日 來源:生物通

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  細菌和古細菌細胞長約3微米,寬約1微米。使用普通的光學顯微鏡,研究人員只能看到細胞,而不能看到細胞核并了解細胞機制。盡管這些細胞比哺乳動物細胞及其他真核細胞要簡單得多,但大家對它們還是知之甚少。于是,研究人員將STORM和他們自己的技術結合起來,以傳統顯微鏡無法企及的分辨率來觀察核內目標的分布和動力學。

在釣魚的時候,使用適當的誘餌,才有可能釣到真正的大魚。科學研究也是一樣,我們需要適當的顯微鏡來觀察那些最小的分子和原子。如今,研究人員正在改進他們的光學顯微鏡,以捕捉細菌和古細菌中那些最小的分子。

過去認為細菌是由一些無任何空間結構的生物分子所組成,如今看來,這種觀點已經過時。細菌的染色體似乎有著特定的結構,但要解析這種結構,研究人員需要熒光探針和超高分辨率顯微鏡。

細菌和古細菌細胞長約3微米,寬約1微米。使用普通的光學顯微鏡,研究人員只能看到細胞,而不能看到細胞核并了解細胞機制。盡管這些細胞比哺乳動物細胞及其他真核細胞要簡單得多,但大家對它們還是知之甚少。于是,研究人員將STORM和他們自己的技術結合起來,以傳統顯微鏡無法企及的分辨率來觀察核內目標的分布和動力學。

一提起STROM,大家肯定會想到華人學者莊小威。的確,這位年輕的女科學家就是這項技術的開發者。2005年,她領導的團隊開發出一種分辨率比傳統光學顯微鏡高10倍的顯微技術,命名為隨機光學重建顯微鏡(STORM),從而實現了活細胞內單個標記蛋白的觀察,包括細菌。

如今,一些研究人員將熒光原位雜交(FISH)和STORM結合起來,以了解細菌和古細菌如何將DNA轉錄成RNA,并翻譯成蛋白質。

德國馬普研究院海洋微生物所的Cristina Moraru及其同事希望了解細胞中核糖體的位置,因為那些分子機器與類核(古細菌和細菌中遺傳信息的載體)相互作用。根據核糖體的位置不同,互作模式也不同,這會影響轉錄、翻譯及其他細胞過程。

于是,Moraru的研究小組將STORM和FISH相結合,定位了大腸桿菌細胞中的核糖體1。他們利用FISH來標記核糖體RNA上的特定序列,并通過STORM對樣品成像。Moraru認為,不久之后,他們還能利用STORM、FISH及其他超高分辨率技術對細菌中的核糖體進行計數。

摸清核糖體的數量對了解細菌如何生長很重要。Moraru解釋道,微生物細胞中核糖體數量的調節很復雜,核糖體數量和代謝活性之間可能沒有直接的關聯。但是核糖體含量高的細胞將比含量低的細胞更具活性。如果我們能對核糖體計數,那么就能夠了解微生物細胞中的代謝活性。但是,研究人員目前還不能準確地對每個細胞中核糖體的數量進行計數,不過Moraru認為這只是時間問題。

到目前為止,原核生物的研究還很有限,因為許多方法無法分析未培養的微生物。通過FISH-STORM方法,研究人員可使用針對環境樣品中不同微生物分類群的RNA探針,研究核糖體差異。Moraru認為:“通過分析不同環境條件下的樣品,夏天和冬天,或高鹽和低鹽,我們可評估不同環境條件下的核糖體數量差異。”

當然,FISH-STORM也不是唯一一種釣取生物分子的方法。美國威斯康辛大學麥迪遜分校的Bakshi就使用一種稱為點畫法(pointillism)的技術來開展低于衍射極限的成像。有了這種技術,他反復定位出多個分子,構建出一幅細胞圖像。這需要能夠打開和關閉的標記,但分辨率達20-30 nm。與FISH相比,Bakshi的方法可用于活細胞成像。

為了真正了解生物分子行為的復雜性和異質性,研究人員需要每次檢測一個分子。而有了這種技術,他們能夠以高的時空分辨率了解細胞中單個目標的位置和移動。Bakshi談道:“當我們研究核糖體時,它讓我們能夠確定哪些分子參與了翻譯,它們在細胞中的什么位置。”

Bakshi所在的研究小組去年在《Molecular Microbiology》雜志上發表文章2,稱大腸桿菌的大部分翻譯并不與轉錄偶聯,這一發現與教科書中的普遍觀點背道而馳。一般認為,細菌的核區域無核膜包圍,致使核區域和細胞質是完全相通的,因此轉錄和翻譯是在同一場所進行的。至于翻譯和轉錄的偶聯程度,目前還不清楚。

Bakshi談道:“當我們發現我們的結果表明大部分翻譯不是在偶聯下發生的,我們也非常驚訝。”研究小組最終得出結論,大腸桿菌中mRNA的壽命比轉錄所花的時間要長得多。一旦轉錄終止,mRNA就從與類核相關的蛋白上釋放,隨后由核糖體翻譯。

這些新技術的不斷出現,將讓生物學家更深入地了解細菌和古細菌的單個細胞,了解它們的分子和代謝動力學。

(作者:Ashley Yeager / 編譯:薄荷)

參考文獻

1. Moraru, C. and Amann, R. (2012). "Crystal ball: Fluorescence in situ hybridization in the age of super-resolution microscopy." Systematic and Applied Microbiology. In Press.

2. Bakshi, S. et al. (2012). Super-resolution imaging of ribosomes and RNA polymerase in live Escherichia coli cells." Molecular Microbiology 85 (1): 21–38

 

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