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质谱新利用:“窃听”微生物份子之间的“扳谈

发布时间:2017/11/30 00:00

  除一张跑步机办公桌,皮特·德利斯特恩(Pieter Dorrestein)在加利福尼亚大学圣迭戈分校(UCSD)的办公室并没有甚么出格:一张圆形工作台四周摆满了椅子,书架上尽是期刊、论文和册本,还有很多表扬他小我及其工作的奖章。

  但一旦他起头给来访者演示他的工作,一切俄然就变得奇异了起来。他在电脑上打开一份3D的空间展现画面:画面中有四小我围坐在桌子旁,此中一个就是德利斯特恩本人——他们看起来就像是被溅上了色彩鲜明的油漆。为了建造这个画面,研究职员将房间的每一个平面,乃至包罗房子里的人用棉签擦拭了几百次,然后用质谱手艺阐发棉签来判定此中的化学物资。

皮特·德利斯特恩的方式可以或许揭露微生物在复杂群落安捷伦氦质谱分析仪中的感化与功能

  这幅画面揭露了很多关于这个空间和空间里的人的信息。德利斯特恩的两名同事是重度咖啡饮者:在他们的手上和脸上检测到了咖啡因的黑点,同时在地板上也有相当大的一块黑点,那是一片之前残留的咖啡渍。德利斯特恩不喝咖啡,但也在四周留下了踪影——既有小我护理用品,也有他底子都不记得本身用过的通俗甜味剂。他很惊奇,他触碰过的很多处所乃至发现了驱虫剂避蚊胺(DEET),但他最少六个月没有效过这类化学物资了。

  画面里也有办公室其他生物的踪影,好比借居在人体皮肤上的微生物。德利斯特恩曾用质谱手艺不雅察过这些微生物发生的小份子代谢产品,获得了关于微生物若何构成群落并与其他微生物、人类寄主和它们借居的情况相互感化的具体图像。

  他阐发了来自植物、海水、偏僻部落和人类得病肺部等的微生物群落,想要发现这些化学物资之间的交换体例:它们是如何奉告彼此某个处所是不是合适借居,又是若何为了领地而战役的呢?这项工作可以判定出先前未知的微生物及它们发生的有效物资,好比说抗生素。

  “这项研究的利用十分普遍,”加利福尼亚大学旧金山分校(UCSD)格莱斯顿研究所的比力基因组学专家凯蒂·波拉德(Katie Pollard)评论道。因为很多微生物都没法直接培育和研究,所以这些原位(in situ)检测体例的呈现影响重大。”同时,上个月美国白宫科学手艺政策办公室发布的,投资521亿美元的国度微生物组打算(National Microbiome Initiative)中的部门研究方针,也可经由过程这项手艺直接实现。该打算发布时,德利斯特恩也在现场。

  在这个快速成长的范畴,德利斯特恩仿照照旧潜心于构建适用东西,和进行富有成效的合作,这使他额外惹人注视。“皮特是真的对此感乐趣,而且很是具有缔造性。”西北承平洋国度尝试室的生物科学主管珍妮特·扬松(Janet Jansson)说道。她曾于本年四月到访UCSD,那时德利斯特恩问她,可否擦拭她的一只手用以尝试研究。“我说,‘太好了!可以的!我想要介入到这项研究中来!’”扬松回想道,“他的研究既有趣又冲动人心,所有人都很是愿意介入进来。”

  攀岩时做出的人生选择

  德利斯特恩成擅长新西兰。16岁时他到美国亚利桑那州的图森走亲戚,在那边迷上了攀岩这项活动。因为本身故乡地形平展,底子没有攀岩的场地,他申请到位于弗拉格斯塔夫的北亚利桑那大学念书——这里位于亚利桑那、新墨西哥、科罗拉多和犹他四州的交壤处,有大量的在线氦质谱检漏仪石山可以攀缘。他的专业是地舆和化学,可他仍同心专心扑在攀岩上。但1998年大学结业后,攀爬加利福尼亚州约塞米蒂国度公园中一面900米高的岩壁的履历令他起头从头思虑人生计划。

  那时他的最高一处固定点间隔顶真个岩石只有50米,他意想到若是本身这时候没抓稳,就会飞速往下失落落100米,直到平安绳子绷紧,把他狠狠砸在花岗岩上。他说,本身那时感应的不是惧怕,而宁可说是他的无畏困扰着他。“我那时想,若是我继续攀岩事业,可能不会有甚么好成果,”他回想道,“所以我用绳子降了下往。”

  那天,他开车回到位于弗拉格斯塔夫的家,起头填写申请研究生的表格。最后他来到了康奈尔大学研究微生物发生小份子物资(好比维生素B1)的机理。就是在这里,他第一次接触到质谱(mass spectrometry)手艺。

  通俗地说,质谱手艺就是将复杂的份子破裂分手,使其离子化而且丈量出碎片份子的质量,从而计较样品份子构成成份的手艺。德利斯特恩就是操纵这类像条形码一样的质谱手艺,为样品中的每种化学物资缔造出各自特异的标识表记标帜。

  德利斯特恩对这项手艺深感乐趣,是以结业后来到伊利诺伊大学喷鼻槟分校的化学生物学家尼尔·凯莱赫(Neil Kelleher)的尝试室继续博士后工作。凯莱赫提倡利用“自上而下”的质谱手艺,即采取完全的而不是消解过的卵白质直接放进仪器检测。操纵这类体例,研究职员可以判定出卵白质上的细小润色,可是进程却很耗时。德利斯特恩在刚来到伊利诺伊的前两个月里就成长出一种快捷体例,可以系统地查验相当大份子量的酶。“我们将本来以年计数的工作量紧缩到了几十天内完成。”德利斯特恩说道。他在博士后工作的两年内终究联名颁发了17篇论文。“皮特不但具有缔造性,同时又劲头实足,并且可以或许用难以置信的能力来完成课题,这的确太可贵了。”凯莱赫评价道。今朝凯莱赫在西北大学任职。 

两位健康人身上的400处采样揭露了皮肤上的化学物资及微生物名录

  2006年,德利斯特恩插手UCSD任职——不外,当该校药理学院院长帕尔梅·泰勒(Palmer Taylor)签订了能让他来做质谱成像的MALDI-TOF-MS(基质辅助激光解吸电离飞翔时候质谱仪)的采购单时,一切才是真实的起头。“这改变了我的全部世界。”他说。

  看到微生物间的“武备比赛”

  质谱成像手艺不但能判定样品平分子物资,同时还能供给空间信息。MALDI-TOF操纵激光来加热并电离份子物资,研究职员用激光束扫描2D样品,可以捕捉样品中分歧份子切确位置信息的“图象”。这项手艺可利用于判定并定位肿瘤切片中的生物标识表记标帜物,但德利斯特恩感乐趣的是微生物,他想要知道可否直接扫描在皮氏培育皿中培育的微生物菌落并判定它们的代谢产品。

  没有人做过这类测验考试。德利斯特恩感觉这多是由于大师都担忧这会污染昂贵的质谱仪——“可是把微生物直接放到仪器里进行检测也一样会污染仪器。”所以他做了一个简单的尝试,让一位本科生萨拉·魏茨(Sara Weitz)来扫描芽孢杆菌菌落。

  此次尝试发生的图象不是最标致的,可是他们发现这类流程是可行的。他将图象成果发送给了保罗·斯特雷特(Paul Straight),一位方才进职得州农工大学的微生物学家。“他那时完全呆头呆脑。”德利斯特恩说道。两组科研团队合作采取质谱成像手艺检测了紧邻发展的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)的菌落。经由过程摸索两种菌落交壤处的空间信息,他们判定到了这两种微生物彼此彼此竞争所用的份子物资。

  德利斯特恩暗示,将这场微生物的武备比赛可视化的进程,令他回忆起1928年亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)从可以杀死细菌的霉菌平分离出青霉素的故事。质谱成像手艺可以快速判定到这类互作的化学物资,很有可能加快新型抗生素的挑选。

  德利斯特恩决议转移尝试室的工作重心,几近专门来研究这些手艺方式。他那是仍是一位青年研究员,他熟悉的所有人都不建议他冒这个险。但院长泰勒鼓动勉励他顿时申请毕生教职。“皮特在阐发和计较范畴潜力很是凸起,常常可以或许解脱思惟局限性,”泰勒说,“他之前的研究项目都成长得十分敏捷。”

  不雅测不纯净样本的题目在于,其发生的数据会十分紊乱。扫描微生物菌落会发生数以千计的条形码,可是此中大部门都不知道与甚么有关,相当于一堆没有注释的信息。“这就仿佛在暗淡的路灯下看工具,”德利斯特恩说,“人们只能‘看到’之前判定过的份子物资,可是尽大大都份子都是未知的。”扬松也以为这是这一范畴今朝的一个大挑战:“用质谱仪来阐发特点是可行的,但仅凭这些特点仍很难判定份子物资是甚么。”

  为了阐发这些复杂的数据,德利斯特恩与UCSD的计较生物学家努诺·班代拉(Nuno Bandeira)合作,按照样品份子与已知份子的关系将条形码和份子物资分类,这使得研究职员起头从计较阐发的角度展望上千种代谢物的布局和功能。可是今朝仍然有大量的数据没有获得注释:虽然世界规模内稀有千人从事质谱研究工作,但大部门人只对他们感乐趣的几个份子进行了注释。

  是以,2014年起,德利斯特恩与班代拉尝试室的研究生王明迅(音,Mingxun Wang)起头测验考试众包注释。他们成立了一个网站,取名为“全球自然产品份子互作收集”作为数据库和数据阐氦质谱检漏仪发东西,使得研究职员们可以或许揭露相干份子物资的关系、将类似份子回类并比力数据库。“他成立的这个网站给这一范畴的成长带来了庞大帮忙。”扬松说道。

  团队合作

  德利斯特恩成功的关头身分之一就是他的合作精力。微生物组DNA及RNA测序专家罗布·奈特(Rob Knight)就和德利斯特恩在统一栋建筑里工作,他们将测序与质谱手艺相连系来进行研究。客岁,德利斯特恩尝试室的一名博士后阿米娜·布斯利玛尼(Amina Bouslimani)在一名男性自愿者和一名女性自愿者身上拔取400个点进行采样,并将尝试反复了两次。一组样品送往奈特尝试室进行微生物测序,另外一组样品则经由过程质谱仪来判定与微生物共存的自然及人工的化学物资。

  尝试要求自愿者在采样前三天制止洗澡或利用化装品,可样品中仍有上百种微生物的化学特点被美容产物和卫生用品中的化学物资粉饰失落了。不外研究职员仿照照旧发现了微生物群落与局部化学物资之间的一致性:好比说,女性阴道部位的细菌就与炎症份子有关。德利斯特恩暗示,如许的联系可用来判定微生物-寄主互作的假说。

  布斯利玛尼今朝正在阐发来自自愿者手部及手机等小我用品上的样品。这项今朝还未颁发的工作显示,人们会在接触过的物体上留下怪异而长久的化学标识表记标帜——就像德利斯特恩办公室的那副图象一样。

  阿米娜和德利斯特恩以为,这一发现可以在司法科学上有所利用。采自嫌疑人皮肤的样品可用来阐发其化学特点是不是与犯法现场符合。在缺少DNA或指纹证据的环境下,罪犯留下的化学物资也能够供给糊口档案:他们用过的物品和身上携带的微生物都可以合成画像。“也许这些化学特点可以或许帮忙查询拜访者缩小搜寻规模。”布斯利玛尼说道。

  客岁,德利斯特恩与纽约大学的微生物学家玛利亚·多明戈斯-贝略(Maria Dominguez-Bello)等人合作,想要领会人类在不穿着衣饰的环境下皮肤环境及其微生物多样性。他们从巴西玛瑙斯、坦桑尼亚哈扎等偏僻部落的居平易近身上收集了样品,并将其与收集地址四周非部落居平易近的样品比拟较。操纵德利斯特恩的质谱手艺,他们发现部落居平易近的微生物群落及皮肤化学物资的多样性要高于糊口体例较为现代的非部落居平易近。德利斯特恩说,今朝正在进行的工作也有一些惊人的成果:巴西某一村落的居平易近皮肤上具有多种药物份子,这申明他们与外来者的接触要比之前展望的多。

  德利斯特恩暗示,这项手艺也能够利用于改良海洋生态情况,或进步农业效力,以削减温室气体排放。提到这些设法时,他全部人身体前倾,表示得十分冲动。但问及他下一步将选择甚么样的研究课题时,他起首提到的仍是人类健康。“对我们而言,这是不言而喻又直接了当的——我们起首仍是想要帮忙病人。”他说。

  德利斯特恩与奈特,还有UCSD的成人囊性纤维化门诊主任道格·康拉德(Doug Conrad)等人合作成长了快速微生物诊断测试手段。囊性纤维化会引发肺部黏液的聚积,从而遭到细菌周期性的传染。这类传染需要抗生素的积极医治——但有时辰细菌会发生抗药性。德利斯特恩及其同事经由过程阐发来自囊性纤维化患者的黏液样品获得的质谱成果数据,判定到了未被尺度医药手艺发现过的微生物群落。

  本年方才插手德利斯特恩尝试室的博士后路易斯-菲利克斯(Louis-Félix Nothias-Scaglia)今朝正在阐发牛皮癣患者的皮肤,而牛皮癣凡是被以为是免疫系统过度活跃引发的。若是可以或许在患者皮肤上发现健康皮肤中不存在的某种细菌发生的份子物资,路易斯-菲利克斯诠释道,那末就有可能用于开辟医治或乃至预防牛皮癣的药物。如许的话,操纵微生物的改变来展望牛皮癣的产生,就可以令患者削减免疫按捺药物的利用。

  将这类数据密集型的手艺利用到尺度的尝试室测试中又将是一个挑战。“必定会有人说这太复杂了,不成能推行开来。”康拉德说。“在某种水平上,我能理解这类观点。但我们此刻的成长势头不错,继续依照今朝的方式做下往也许就可以获得不错的成果。”

  但德利斯特恩想要的不但仅是保持近况继续做下往,他想要改变今朝的状态,特别是正在蓬勃成长的微生物组学研究范畴。他以为学科成长就是要履历分歧的阶段:第一阶段重视于微生物的判定,而第二阶段就是操纵质谱等手艺探明这些微生物事实在干甚么。

  是甚么驱动着微生物群落的成立?它们采取如何的代谢体例?微生物之间、微生物与寄主之间又是若何相互感化的?“若是你能从底子上理解了这些题目,”德利斯特恩说,“那末你便可以起头节制它了。”他以为,第三阶段就是节制微生物。经由过程把持微生物群落,是否是就可以添加必须成份来改变人体健康、情感和活动表示了呢?德利斯特恩以为这些题目的谜底就摆在他眼前,而他只需进一步摸索。

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