作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2016/7/13 9:12:59
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科学家用质谱分析法倾听微生物与分子对话

 

Pieter Dorrestein的方法能够揭示微生物在复杂的社会里做了什么。 图片来源:Sandy Huffaker

除了跑步机、办公桌之外,Pieter Dorrestein位于美国加州大学圣迭戈分校(UCSD)的办公室没有什么特别的:一张圆桌旁围着椅子,书架上放着期刊、报纸和书籍,此外还有两三张他在工作中获得的奖状。

不过,Dorrestein喜欢邀请访问者近距离观看他的办公桌。他打开电脑显示器,这间办公室的一个三维空间透视图随即出现。有四人坐在圆桌旁,其中一人是Dorrestein,画面上的人像是被喷溅了一些明亮的油漆。为了制作这张图,研究人员对Dorrestein办公室的每个地方都清洁了数百遍,包括屋子里的人。然后利用质谱分析法分析棉签以分辨上面的化学物质。

这张图揭示了这个屋子以及屋子里的人的大量信息。Dorrestein的两名同事是严重咖啡成瘾者:他们的脸上和手上沾满了咖啡因的斑点。Dorrestein并不喝咖啡,但是也到处留下了他的踪迹,从个人护理产品到他甚至没有意识到自己喝过的软饮。他还吃惊地发现自己接触过的很多表面有杀虫剂避蚊胺,而他至少已经6个月没有用过这种化学品了。

除此之外,还有这间办公室其他栖息者的签名:寄居在人皮肤上的微生物。Dorrestein一直在利用质谱分析法查看这些由微生物产生的小分子或是代谢物,从而更加清晰地了解微生物如何形成社会,又如何与其他微生物、人类宿主以及它们所寄居的环境发生互动。

Dorrestein还分析了植物、海水、偏远的土著部落、人类染病的肺脏等环境中的微生物社会,从而倾听它们的化学对话:它们如何告诉彼此哪些栖息地好或是不好,或是如何为领地而斗争。这项研究可以辨别此前未知的微生物及其形成的有用分子,如抗生素。

“它们的应用极其广泛。”加州大学旧金山分校格莱斯顿研究所比较基因组学家Katie Pollard说。因为很多微生物不能直接被培养和研究,她解释说,“在原地分析这些微生物的方法完全改变了这种局面”。它们还直接解决了斥资5.21亿美元的“国家微生物组计划”中的一些主要目标,这项计划由美国政府于今年6月公布。Dorrestein当时也在发布会现场。

“摇滚”人生

Dorrestein在荷兰长大,16岁时对攀岩非常痴迷。大学时,尽管他在弗拉格斯塔夫北亚利桑那大学读地质和化学,但他依然打算追随攀岩的激情。直到有一次攀岩时,他豁然开朗决定做点其他的事情。最后,他进入了康奈尔大学开始研究微生物如何生成诸如维生素B1等小分子。正是在那里,他开始接触到质谱分析法。

质谱分析法主要涉及将复杂的分子分解,将其电离,测量形成的片段的质量,它可被用于计算新分子的组成。Dorrestein利用一个条形码进行了类比——质谱分析法能够为一个样本中的每个化学元素建立一个独特的身份。

兴趣使然,他到伊利诺伊大学香槟分校生化学家Neil Kelleher的实验室做博士后。Kelleher是“自上而下”质谱分析法的先驱,在此过程中未被污染的,而非被消化的蛋白被直接放入质谱仪中进行检测。这种方法可以让研究人员分辨出对蛋白质作出的微小修饰,但是过程却很缓慢。在到达伊利诺伊大学两个月后, Dorrestein 就研发出了一种速度更快的方法,让他可以同时分析大量的酶。“基本上,我们当时可以将数年的工作在几天内做完。”Dorrestein说。两年博士后期间,他作为共同作者的论文达到17篇。“Pieter具有罕见的将创造性和驱动力结合在一起的能力,他在执行项目方面具有难以置信的能力。”现在伊利诺伊州西北大学工作的Kelleher说。

Dorrestein在2006年成为UCSD的教职员工。在该校药物学院主任Palmer Taylor授权购买基质辅助激光解析/电离飞行时间(MALDI-TOF)质谱仪之后,他的工作才真正开始,该设备可以让他进行质谱分析成像。“它改变了我的世界。”Dorrestein说。

空间“十字军”

与分析样本中的分子一样,质谱成像能够提供空间信息。MALDI-TOF利用一束激光加热及电解分子。通过在一个二维样本上扫描该束激光,研究人员能够捕捉到一个“图形”,确切地显示不同分子在样本中的寄居位置是哪里。这种技术可被用于分辨及定位肿瘤切片中的生物标记,但由于Dorrestein的兴趣是微生物,他很好奇自己是否可以利用培养皿中的菌种对其直接进行扫描,用以观测它们的代谢物。

此前尚未有人进行过类似研究。Dorrestein怀疑别人可能是担心其昂贵的质谱仪被弄脏。“将微生物直接放在设备上,这样做确实会比较脏。”但他还是请研究生Sara Weitz进行了一次简单的实验,对一群芽孢杆菌进行扫描。

这次成像表明该方式的确可以发挥作用。随后Dorrestein将成像结果发送给得州农工大学微生物学家Paul Straight。“我敢肯定他看到结果后一定连嘴都合不拢了。”Dorrestein说。于是,两个团队对相邻生长的芽孢杆菌群和天蓝色链霉菌群进行了成像。通过探索这些微生物群相互作用的空间,他们发现了微生物用来相互竞争的分子。

在视觉上观测到这些微生物的“军事竞赛”之后,Dorrestein表示,这让他想起了1928年亚历山大·弗莱明(发现第一种抗生素青霉素)从一个模具中隔离出培养皿中杀死细菌的盘尼西林(即青霉素)的一幕。

于是,Dorrestein决定将其实验室的关注点聚焦到这一方法上。观察脏样本的问题是它们会产生混乱的数据。通过扫描微生物全貌,可产生数以千万计的条形码,但它们究竟与什么相符合却并不知道,因为它们从未有过注解。

为了让这些混乱的数据合理,Dorrestein和UCSD计算生物学家Nuno Bandeira合作,研究一种对条形码和分子进行分类的方法,从而了解这些微生物与其他已经得到了解的微生物之间的关系。这让研究人员开始通过计算的方式预测数千种代谢物的结构和功能。但是注解仍然有一些短板:尽管全球成千上万的科学家在进行质谱分析研究,但大多数科研人员只对他们感兴趣的少数几种分子进行注解。

因此,从2014年开始,Dorrestein和Bandeira实验室的研究生王明训(音译)开始研发一种众包注解方法。他们启动了全球天然产物分子社交网站,这个数据库和数据分析工具可以让研究人员解开相关分子之间的关系,将那些类似的分子归为一类,并对相关集合进行对比。“他做的这件事对微生物学领域产生了很大裨益。”华盛顿里士满太平洋西北国家实验室生物学主任Janet Jansson说。

团队的力量

Dorrestein成功的关键点之一正是合作。Rob Knight是微生物DNA和RNA测序领域的带头人,他和Dorrestein合作利用质谱分析协调测序。去年,Dorrestein实验室的一名博士后Amina Bouslimani用棉签从一名男性和一名女性志愿者处两次收集了身体400个位点的化验标本。其中一次从各个位点收集的样本进入了Knight的实验室,并在那里被测序。另一批标本则要通过质谱分析辨别其中天然的以及人工的与微生物共存的化学元素。

Bouslimani正在分析采集自志愿者手部和个人物品如手机上的样本。Bouslimani和Dorrestein认为,这可能会在法医学领域产生广泛应用。“或许这些化学标志能够帮助研究人员缩小范围,了解究竟谁在那里。”Bouslimani说。

去年,Dorrestein还和纽约大学微生物学家Maria Dominguez-Bello等人合作,他们希望了解那些远离发达世界的人的皮肤及其微生物多样性看起来是怎样的。他们从巴西北部的玛瑙斯偏远的部落以及坦桑尼亚的哈扎人那里采集了样本,并将其与收集点附近非部落居民的样本进行了对比。研究人员利用Dorrestein的质谱分析技术发现,那些居住在原始部落中的人与以现代生活方式生存的人相比,拥有更多微生物群和皮肤化学元素。

无论何时,当Dorrestein谈论这种技术能够如何评估海洋的健康状况或是提高农业的效率(这是温室气体排放的主要贡献之一)时,他总是身体向前倾斜着,几乎踮着脚尖讲话,兴奋之情溢于言表。当被问及他会优先选择哪个项目时,他首先提到了人体健康。“对我们来说,这是这种技术非常明显的、直接的用武之地,我们希望帮助患者。”他说。(红枫)

《中国科学报》 (2016-07-13 第3版 国际)
 
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