解锁微生物对话的化学秘诀

加利福尼亚大学伯克利大学的Matt Traxler博士正在改变我们研究微生物的方式。在实验室中的纯文化中思考单一种类的日子已经一去不复返了，他的研究生和博士后的队伍正在开发一种质谱，承诺允许单一微生物细胞以及它们与其他物种的相互作用。在他们的自然条件下进行研究。

放线菌是一组细菌，具有各种各样的人用途，但它们是为生产天然产物而闻名的，也称为专门的代谢物，例如抗生素。这些微生物还产生许多抗真菌和免疫抑制剂等。它们不仅适用于人类健康和兽医实践，它们的天然产品也可用于农业。在各种栖息地，包括土壤和海水，以及与植物根和昆虫相关的栖息地。这些微生物很少存在于单一物种社区中。结果，放线菌可以使用它们的化学产品系列与其社区中的其他细菌相互作用。

在这些微生物的基因组中已经观察到各种各样的基因簇，理论上可以使它们生产出在典型的实验室环境中看不到的产品，其中大多数是我们所不知道的。通常，在实验室里，在严格控制的条件下，这些细菌每次只研究一种。这些条件与在自然环境中发现的完全不同。特克斯勒博士和他的同事们认为这是研究这类微生物的一个空白——通过使用传统的方法，我们忽视了它们与所属群落中的其他微生物相互作用的重要性。

“看到各种细菌细胞产生的分子的能力将在微生物寿命中打开一个令人兴奋的新窗口

这在一项重大研究中强调了Traxler博士和他的同事发现，练习良好的放线菌，Streptomyces Coelicolor可以产生令人惊讶的化合物阵列，但只有当它与其他土壤微生物相互作用时。当与其他五种放线菌的相互作用进行研究时，S.共凝固产生的代谢物，其每个其他物种中的每一个不能分离产生。这些发现表明微生物之间的相互作用可能是发现有用的天然产品的丰富的新来源。这些代谢物仅在物种的特定组合中观察到，这表明原位的微生物可以产生我们从未在实验室中看到的化学品。从那时起，Traxler博士一直在努力制定一种改进的质谱成像方法，使我们能够在原位研究微生物，即在土壤，组织或植物根中自然发现。

仔细看看
Traxler博士和他的同事们将跨学科方法汇集在这个问题中，将质谱，微生物生态学和显微镜在其他方面结合起来，制定了高分辨率质谱（HR-MSI）的改进方法，使其能够研究微生物生态相关的规模。2016年9月，国家科学基金会（NSF）荣获Traxler博士的研究资助近300,000美元，以资助这项新技术的持续发展。

基质辅助激光解吸/电离飞行时间（MALDI-TOF）质谱成像（MSI）是一种方法，使研究人员能够在生物样品中可视化化学化合物的分布。在该方法中，激光用于从样品表面电离分子。以网格图案移动激光器允许研究人员从样品上的每个点创建化学物质的轮廓。然后使用该信息来构建描绘单个化学物质分布的图像。

人们认为，实验室之外的大多数微生物都是在小于100个细胞的菌落中发现的，每个细胞的大小约为1到5微米。特拉克斯勒实验室的一组研究人员，包括博士后研究员丽塔·佩索蒂(Rita Pessotti)，正在努力将MALDI-TOF仪器的分辨率从10×10微米提高到大约3微米。这种改进的分辨率使得单个细菌细胞和它们产生的化学物质可以在植物组织、土壤甚至哺乳动物胃肠道样本中进行研究，而不是在大型实验室培养中。

还对本研究中使用的方法进行了其他改进，包括优化生物样品制备技术，以最大化MSI所实现的空间分辨率。曾经坚定地建立的这些改进将构成一系列协议的基础，即其他研究人员在以这种方式在以这种方式研究微生物时将能够使用。“看到各种细菌细胞产生的分子的能力将在微生物寿命上打开令人兴奋的新窗口。这将推进我们对管理微生物群体中单微生物等级交换代谢物的基本生物机制和原则的理解 - 其中发现它们的社区和环境。Traxler实验室这项工作的最终目标是为具有现有高分辨率质谱仪的任何实验室的微尺度HR-MSI的潜在变革功能。

在未来，微生物相互作用、化学和微生物组功能的研究将会令人兴奋地融合在一起

改变微生物学的未来
Traxler实验室研究微生物相互作用，重点是了解这些相互作用是如何由抗生素等天然产物介导的。Traxler博士的实验室集团是跨学科团队，包括微生物遗传学，生态，天然产品化学和信息学分析的专业研究人员。他们认为未来在微生物相互作用，化学和微生物组功能的研究之间存在激动人心的合并。

特克斯勒博士试图了解为什么细菌会制造抗生素之类的化合物。他希望，通过回答这个问题，化合物发现的新方法可以形成，帮助科学家和医生设计新的治疗方法，最大限度地减少耐抗生素病原体的传播。

虽然以放线菌为中心，但特拉克斯勒博士和他的研究团队从工作中获得的经验可以应用于无数其他产生抗生素的微生物。随着对抗生素有抗药性的病原体数量的不断增加，这项创新的研究可能提供新的抗生素来源，并有可能拯救无数原本会被忽视的生命。