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将FISH和STORM结合起来研究微生物

更新:2014年04月27日 阅读次数: 【字体:
 

在钓鱼的时候,使用适当的诱饵,才有可能钓到真正的大鱼。科学研究也是一样,我们需要适当的显微镜来观察那些最小的分子和原子。如今,研究人员正在改进他们的光学显微镜,以捕捉细菌 和古细菌中那些最小的分子。

过去认为细菌 是由一些无任何空间结构的生物分子所组成,如今看来,这种观点已经过时。细菌的染色体似乎有着特定的结构,但要解析这种结构,研究人员需要荧光探针和超高分辨率显微镜。

细菌和古细菌细胞长约3微米,宽约1微米。使用普通的光学显微镜,研究人员只能看到细胞,而不能看到细胞核 并了解细胞机制。尽管这些细胞比哺乳动物细胞及其他真核细胞要简单得多,但大家对它们还是知之甚少。于是,研究人员将STORM和他们自己的技术结合起来,以传统显微镜无法企及的分辨率来观察核内目标的分布和动力学。

一提起STROM,大家肯定会想到华人学者庄小威。的确,这位年轻的女科学家就是这项技术的开发者。2005年,她领导的团队开发出一种分辨率比传统光学显微镜高10倍的显微技术,命名为随机光学重建显微镜(STORM),从而实现了活细胞内单个标记蛋白的观察,包括细菌

如今,一些研究人员将荧光原位杂交 (FISH)和STORM结合起来,以了解细菌和古细菌如何将DNA转录成RNA,并翻译成蛋白质。

德国马普研究院海洋微生物所的Cristina Moraru及其同事希望了解细胞中核糖体的位置,因为那些分子机器与类核(古细菌和细菌中遗传信息的载体)相互作用。根据核糖体的位置不同,互作模式也不同,这会影响转录、翻译及其他细胞过程。

于是,Moraru的研究小组将STORM和FISH相结合,定位了大肠杆菌细胞中的核糖体1。他们利用FISH来标记核糖体RNA上的特定序列,并通过STORM对样品成像。Moraru认为,不久之后,他们还能利用STORM、FISH及其他超高分辨率技术对细菌中的核糖体进行计数。

摸清核糖体的数量对了解细菌如何生长很重要。Moraru解释道,微生物细胞中核糖体数量的调节很复杂,核糖体数量和代谢活性之间可能没有直接的关联。但是核糖体含量高的细胞将比含量低的细胞更具活性。如果我们能对核糖体计数,那么就能够了解微生物细胞中的代谢活性。但是,研究人员目前还不能准确地对每个细胞中核糖体的数量进行计数,不过Moraru认为这只是时间问题。

到目前为止,原核生物的研究还很有限,因为许多方法无法分析未培养的微生物。通过FISH-STORM方法,研究人员可使用针对环境样品中不同微生物分类群的RNA探针,研究核糖体差异。Moraru认为:“通过分析不同环境条件下的样品,夏天和冬天,或高盐和低盐,我们可评估不同环境条件下的核糖体数量差异。”

当然,FISH-STORM也不是唯一一种钓取生物分子的方法。美国威斯康辛大学麦迪逊分校的Bakshi就使用一种称为点画法(pointillism)的技术来开展低于衍射极限的成像。有了这种技术,他反复定位出多个分子,构建出一幅细胞图像。这需要能够打开和关闭的标记,但分辨率达20-30 nm。与FISH相比,Bakshi的方法可用于活细胞成像。

为了真正了解生物分子行为的复杂性和异质性,研究人员需要每次检测一个分子。而有了这种技术,他们能够以高的时空分辨率了解细胞中单个目标的位置和移动。Bakshi谈道:“当我们研究核糖体时,它让我们能够确定哪些分子参与了翻译,它们在细胞中的什么位置。”

Bakshi所在的研究小组去年在《Molecular Microbiology》杂志上发表文章2,称大肠杆菌的大部分翻译并不与转录偶联,这一发现与教科书中的普遍观点背道而驰。一般认为,细菌的核区域无核膜包围,致使核区域和细胞质是完全相通的,因此转录和翻译是在同一场所进行的。至于翻译和转录的偶联程度,目前还不清楚。

Bakshi谈道:“当我们发现我们的结果表明大部分翻译不是在偶联下发生的,我们也非常惊讶。”研究小组最终得出结论,大肠杆菌中mRNA的寿命比转录所花的时间要长得多。一旦转录终止,mRNA就从与类核相关的蛋白上释放,随后由核糖体翻译。

这些新技术的不断出现,将让生物学家更深入地了解细菌和古细菌的单个细胞,了解它们的分子和代谢动力学。

参考文献

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

 

关键词:微生物 生物
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