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Nat Commun:微生物组的可靠“时钟”

来源:本站原创 2019-10-13 02:24

2019年10月12日 讯 /生物谷BIOON/ --尽管人类微生物组在过去几年中受到了人们的广泛关注,但一直以来难以观察其在各种刺激下随时间变化的情况。最常见的分析方法是从粪便样本中提取细菌,然后对它们的基因组进行测序,但是这种方法会丢失肠道中细菌的位置和时间等关键信息。
 
如今,来自哈佛大学的研究人员创建的一种新工具提供了解决此问题的方法,他们设计改造了一部分细菌基因,可以用于检测和记录菌群随着时间变化的情况。相关结果发表在最近的《Nature communications》杂志上。
 

(图片来源:Www.pixabay.com)
 
该系统使用“基因电路”,作为测量细菌生长的遗传“时钟”。该调控因子由三个细菌基因组成,这些细菌基因编码三种蛋白质(tetR,cl和lacI),每种蛋白质均阻断其他一种蛋白质的表达。这些基因被链接到一个负反馈回路中,因此当一种阻断蛋白的浓度降低到一定水平以下时,受其影响的蛋白就会顺利表达出来,从而阻止了第三种蛋白的表达,并且进行不断重复,形成周期效应。
 
当将所有三个基因都插入质粒并转入细菌后,完成的负反馈循环次数可以作为细菌经历了多少次细胞分裂的记录。每当细菌分裂时,存在于细胞质中的任何负调控蛋白都会被稀释,因此它们的浓度会逐渐下降并触发循环中下一个蛋白的表达。
 
研究人员将这三种阻抑蛋白中的每一种与不同颜色的荧光分子偶联,并开发了一种称为RINGS(单细胞水平基于阻抑剂的生长推断)的成像工作流程,以追踪细菌生长过程中不同时间点表达的蛋白。作者说:“基于这些负调控蛋白在起始菌落的单一细菌中具有活性,随着细菌菌落的向外生长,菌落随之产生了不同的荧光,呈树环状特征。荧光环的模式记录了自生长开始以来发生了多少次循环,我们可以分析该模式以研究不同细菌之间和不同环境下的生长速率如何变化。”
 
使用RINGS,该团队能够成功追踪体外培养的几种不同细菌的细胞分裂,并观察到,当细菌在小鼠肠道提取的样品上生长(模拟复杂的微环境),或暴露于抗生素中时,细菌的再加压周期的长度保持一致。(以模拟压力条件和不一致的生长方式)。总之,作者希望他们的新型工具有助于动态追踪肠道微生物的生长情况(生物谷Bioon.com)


原始出处:David T. Riglar, David L. Richmond, Laurent Potvin-Trottier, Andrew A. Verdegaal, Alexander D. Naydich, Somenath Bakshi, Emanuele Leoncini, Lorena G. Lyon, Johan Paulsson, Pamela A. Silver. Bacterial variability in the mammalian gut captured by a single-cell synthetic oscillator. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-12638-z
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