Msphere：细菌“变装秀”？不靠荧光标签，科学家用“光签名”解锁形态之谜

从引起肺炎的球菌到导致霍乱的弧菌，细菌千姿百态的外形并非随意为之—每一种形态背后都可能隐藏着其生存、致病与传播的“独门绝技”。然而，地球上超过99%的细菌无法在实验室培养，这些微生物中的大多数仍是我们认知的“暗物质”。传统研究方法依赖荧光标记，这要求我们对细菌生物学有深入了解，可对于绝大多数未知细菌，这几乎是不可能完成的任务。

日前，一篇发表在国际杂志Msphere上题为“Imaging flow cytometry enables label-free cell sorting of morphological variants from populations of the unculturable bacterium Pasteuria ramosa”的研究报告中，来自美国密歇根州立大学的研究带来了破局之道，研究人员发现，无需任何标签，仅凭细菌自身的光学特征就能将不同形态的细菌精准分选，这就像是为细菌世界装上了“无标记身份证识别系统”。

当细菌形态遇上成像流式细胞术

这项研究中，研究人员以一种难以培养的多形性病原体—Pasteuria ramosa（一种感染水蚤的细菌）为模型，成功开发出一种基于成像流式细胞术（IFC）的无标记分选策略。传统流式细胞分选（FACS）需要预先用荧光标记细菌，如同给细菌贴上“名牌”；而新技术则利用细菌自身的光散射和自发荧光信号，形成独特的“光签名”，通过图像分析自动识别不同形态，并进行高纯度分选（纯度 >90%），足以支持后续的基因组学、蛋白质组学等深度分析。

Nina Wale教授解释道，要了解每种形态的功能，我们必须把它与其他形态分开，才能研究它们表达哪些基因或蛋白质。

技术突破：为何“无标记”如此重要？

（1）打破“不可培养”的壁垒：绝大多数细菌无法在实验室培养，传统方法对此束手无策。新方法完全摆脱对培养和预知生物学信息的需求，真正实现了“所见即所得”。

（2）还原细菌在自然环境中的真实形态：研究者表示，即使在可培养的细菌中，它们在培养皿里也未必展现出全部形态；新技术可直接分析环境样本，保留细菌最原始的状态。

（3）低成本、普适性强：无需定制抗体或荧光构建体，大大降低了研究门槛，尤其适用于资源有限或研究对象未知的探索性研究。

这项研究为何令人兴奋？

（1）首次实现多形性细菌的无标记形态分选，为研究细菌形态与功能关系提供了通用工具。

（2）将成像流式细胞术的应用拓展到微生物生态与进化领域，展示了该技术在表型分型中的巨大潜力。

（3）为研究“不可培养微生物”打开了新窗口，有望揭示更多未知病原体的致病机制。

从“形态”到“功能”：细菌世界的“变形记”

细菌形态并非一成不变，许多病原体在不同宿主或环境压力下会改变形态来增强生存或致病能力，比如，幽门螺杆菌在胃酸刺激下可从螺旋形变为球形，提高存活率；结核分枝杆菌在宿主体内可形成细长形态，利于穿透组织。研究者Wale博士表示，形态与功能的关系对所有人都不陌生，蝴蝶的翅膀让它飞翔，蜂鸟的喙让它吸食花蜜；但细菌形态的作用，我们此前只能在极少数可培养的细菌中研究；我们的新方法将使科学家能够在整个细菌生命树及其自然生活环境中探索形态与功能的关系。”

未来应用：不止于科研，更关乎健康

这项技术不仅推动基础微生物学研究，还具有重要的转化潜力：1）环境与健康监测：快速识别水、土壤或临床样本中的病原体形态变异，预警疫情风险；2）新药靶点发现：通过分析致病菌在不同形态下的基因表达，找到关键致病因子；3）微生物组研究：深入解析肠道、皮肤等复杂菌群中不同形态菌群的功能分工。

研究人员下一步计划利用该技术揭示Pasteuria ramosa如何操控水蚤宿主使其异常巨大化或变为亮橙色直至死亡；通过分选不同形态的细菌，他们将解析这些惊人现象背后的遗传与化学策略。微生物世界的多样性远超我们想象，而技术的进步正不断拉近我们与这个隐秘世界的距离。从依赖培养到无标记分选，从已知菌株到环境微生物，每一次方法学的突破都在拓宽人类认知的边界。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Daniel Vocelle, Lindsey Thompson, Matthew P. Bernard, et al. Imaging flow cytometry enables label-free cell sorting of morphological variants from populations of the unculturable bacterium Pasteuria ramosa. MSphere. DOI:10.1128/msphere.01038-24.