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質(zhì)譜新應(yīng)用：“竊聽”微生物分子之間的“交談”
[導(dǎo)讀] 同時(shí)，上個(gè)月美國(guó)白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室公布的，投資5.21億美元的國(guó)家微生物組計(jì)劃(National Microbiome Initiative)中的部分研究目標(biāo)，也可通過這項(xiàng)技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)。該計(jì)劃公布時(shí)，德利斯特恩也在現(xiàn)場(chǎng)。
除了一張跑步機(jī)辦公桌，皮特·德利斯特恩(Pieter Dorrestein)在加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校(UCSD)的辦公室并沒有什么特別：一張圓形工作臺(tái)周圍擺滿了椅子，書架上滿是期刊、論文和書籍，還有許多表彰他個(gè)人及其工作的獎(jiǎng)?wù)隆?/p>
但一旦他開始給來訪者演示他的工作，一切突然就變得神奇了起來。他在電腦上打開一份3D的空間展示畫面：畫面中有四個(gè)人圍坐在桌子旁，其中一個(gè)就是德利斯特恩本人——他們看起來就像是被濺上了顏色鮮亮的油漆。為了制作這個(gè)畫面，研究人員將房間的每個(gè)平面，甚至包括屋子里的人用棉簽擦拭了幾百次，然后用質(zhì)譜技術(shù)分析棉簽來鑒定其中的化學(xué)物質(zhì)。
這幅畫面揭示了許多關(guān)于這個(gè)空間和空間里的人的信息。德利斯特恩的兩名同事是重度咖啡飲者：在他們的手上和臉上檢測(cè)到了咖啡yin的斑點(diǎn)，同時(shí)在地板上也有相當(dāng)大的一塊斑點(diǎn)，那是一片之前殘留的咖啡漬。德利斯特恩不喝咖啡，但也在四處留下了蹤跡——既有個(gè)人護(hù)理用品，也有他根本都不記得自己用過的普通甜味劑。他很驚訝，他觸碰過的許多地方甚至發(fā)現(xiàn)了驅(qū)蟲劑避蚊胺(DEET)，但他至少六個(gè)月沒有用過這種化學(xué)物質(zhì)了。
畫面里也有辦公室其他生物的蹤跡，比如寄居在人體皮膚上的微生物。德利斯特恩曾用質(zhì)譜技術(shù)觀察過這些微生物產(chǎn)生的小分子代謝產(chǎn)物，得到了關(guān)于微生物如何形成群落并與其他微生物、人類寄主以及它們寄居的環(huán)境互相作用的詳細(xì)圖象。
他分析了來自植物、海水、偏遠(yuǎn)部落以及人類患病肺部等的微生物群落，想要發(fā)現(xiàn)這些化學(xué)物質(zhì)之間的交流方式：它們是怎樣告知彼此某個(gè)地方是否適合寄居，又是如何為了領(lǐng)地而戰(zhàn)斗的呢?這項(xiàng)工作可以鑒定出先前未知的微生物及它們產(chǎn)生的有用物質(zhì)，比如說抗生素。
“這項(xiàng)研究的應(yīng)用十分廣泛，”加利福尼亞大學(xué)舊金山分校(UCSD)格萊斯頓研究所的比較基因組學(xué)專家凱蒂·波拉德(Katie Pollard)評(píng)論道。由于許多微生物都無法直接培養(yǎng)和研究，所以這些原位(in situ)檢測(cè)方式的出現(xiàn)影響重大。”同時(shí)，上個(gè)月美國(guó)白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室公布的，投資5.21億美元的國(guó)家微生物組計(jì)劃(National Microbiome Initiative)中的部分研究目標(biāo)，也可通過這項(xiàng)技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)。該計(jì)劃公布時(shí)，德利斯特恩也在現(xiàn)場(chǎng)。
在這個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，德利斯特恩仍舊潛心于構(gòu)建實(shí)用工具，以及進(jìn)行富有成效的合作，這使他分外引人注目。“皮特是真的對(duì)此感興趣，并且非常具有創(chuàng)造性。”西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的生物科學(xué)主管珍妮特·揚(yáng)松(Janet Jansson)說道。她曾于今年四月到訪UCSD，當(dāng)時(shí)德利斯特恩問她，能否擦拭她的一只手用以實(shí)驗(yàn)研究。“我說，‘太好了!可以的!我想要參與到這項(xiàng)研究中來!’”揚(yáng)松回憶道，“他的研究既有趣又激動(dòng)人心，所有人都非常愿意參與進(jìn)來。”
攀巖時(shí)做出的人生選擇
德利斯特恩成長(zhǎng)于新西蘭。16歲時(shí)他到美國(guó)亞利桑那州的圖森走親戚，在那里迷上了攀巖這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。由于自己家鄉(xiāng)地形平坦，根本沒有攀巖的場(chǎng)地，他申請(qǐng)到位于弗拉格斯塔夫的北亞利桑那大學(xué)讀書——這里位于亞利桑那、新墨西哥、科羅拉多和猶他四州的交界處，有大量的石山可以攀登。他的專業(yè)是地理和化學(xué)，可他仍一心撲在攀巖上。但1998年大學(xué)畢業(yè)后，攀爬加利福尼亞州約塞米蒂國(guó)家公園中一面900米高的巖壁的經(jīng)歷令他開始重新思考人生規(guī)劃。
當(dāng)時(shí)他的zui高一處固定點(diǎn)距離頂端的巖石只有50米，他意識(shí)到如果自己這時(shí)沒抓穩(wěn)，就會(huì)飛速往下掉落100米，直到安全繩索繃緊，把他狠狠砸在花崗巖上。他說，自己當(dāng)時(shí)感到的不是害怕，而寧可說是他的無畏困擾著他。“我當(dāng)時(shí)想，如果我繼續(xù)攀巖事業(yè)，可能不會(huì)有什么好結(jié)果，”他回憶道，“所以我用繩索降了下去。”
那天，他開車回到位于弗拉格斯塔夫的家，開始填寫申請(qǐng)研究生的表格。zui后他來到了康奈爾大學(xué)研究微生物產(chǎn)生小分子物質(zhì)(比如維生素B1)的機(jī)理。就是在這里，他*次接觸到質(zhì)譜(mass spectrometry)技術(shù)。
通俗地說，質(zhì)譜技術(shù)就是將復(fù)雜的分子破碎分離，使其離子化并且測(cè)量出碎片分子的質(zhì)量，從而計(jì)算樣品分子組成成分的技術(shù)。德利斯特恩就是利用這種像條形碼一樣的質(zhì)譜技術(shù)，為樣品中的每種化學(xué)物質(zhì)創(chuàng)造出各自特異的標(biāo)記。
德利斯特恩對(duì)這項(xiàng)技術(shù)深感興趣，因此畢業(yè)后來到伊利諾伊大學(xué)香檳分校的化學(xué)生物學(xué)家尼爾·凱萊赫(Neil Kelleher)的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)博士后工作。凱萊赫倡導(dǎo)使用“自上而下”的質(zhì)譜技術(shù)，即采用完整的而不是消解過的蛋白質(zhì)直接放入儀器檢測(cè)。利用這種方式，研究人員可以鑒定出蛋白質(zhì)上的微小修飾，但是過程卻很耗時(shí)。德利斯特恩在剛來到伊利諾伊的前兩個(gè)月里就發(fā)展出一種快捷方式，可以系統(tǒng)地檢驗(yàn)相當(dāng)大分子量的酶。“我們將原本以年計(jì)數(shù)的工作量壓縮到了幾十天內(nèi)完成。”德利斯特恩說道。他在博士后工作的兩年內(nèi)zui終聯(lián)名發(fā)表了17篇論文。“皮特不僅具有創(chuàng)造性，同時(shí)又干勁十足，而且能夠用難以置信的能力來完成課題，這簡(jiǎn)直太難得了。”凱萊赫評(píng)價(jià)道。目前凱萊赫在西北大學(xué)任職。
2006年，德利斯特恩加入U(xiǎn)CSD任職——不過，當(dāng)該校藥理學(xué)院院長(zhǎng)帕爾梅·泰勒(Palmer Taylor)簽署了能讓他來做質(zhì)譜成像的MALDI-TOF-MS(基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀)的采購單時(shí)，一切才是真正的開始。“這改變了我的整個(gè)世界。”他說。
看到微生物間的“軍備競(jìng)賽”
質(zhì)譜成像技術(shù)不僅能鑒定樣品中分子物質(zhì)，同時(shí)還能提供空間信息。MALDI-TOF利用激光來加熱并電離分子物質(zhì)，研究人員用激光束掃描2D樣品，可以捕獲樣品中不同分子位置信息的“圖像”。這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于鑒定并定位腫瘤切片中的生物標(biāo)記物，但德利斯特恩感興趣的是微生物，他想要知道能否直接掃描在皮氏培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的微生物菌落并鑒定它們的代謝產(chǎn)物。
沒有人做過這種嘗試。德利斯特恩覺得這可能是因?yàn)榇蠹叶紦?dān)心這會(huì)污染昂貴的質(zhì)譜儀——“但是把微生物直接放到儀器里進(jìn)行檢測(cè)也一樣會(huì)污染儀器。”所以他做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，讓一名本科生薩拉·魏茨(Sara Weitz)來掃描芽孢桿菌菌落。
這次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的圖像不是zui漂亮的，但是他們發(fā)現(xiàn)這種流程是可行的。他將圖像結(jié)果發(fā)送給了保羅·斯特雷特(Paul Straight)，一名剛剛?cè)肼毜弥蒉r(nóng)工大學(xué)的微生物學(xué)家。“他當(dāng)時(shí)*目瞪口呆。”德利斯特恩說道。兩組科研團(tuán)隊(duì)合作采用質(zhì)譜成像技術(shù)檢測(cè)了緊鄰生長(zhǎng)的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和天藍(lán)色鏈霉菌(Streptomyces coelicolor)的菌落。通過探索兩種菌落交界處的空間信息，他們鑒定到了這兩種微生物彼此相互競(jìng)爭(zhēng)所用的分子物質(zhì)。
德利斯特恩表示，將這場(chǎng)微生物的軍備競(jìng)賽可視化的過程，令他回想起1928年亞歷山大·弗萊明(Alexander Fleming)從可以殺死細(xì)菌的霉菌中分離出青霉素的故事。質(zhì)譜成像技術(shù)可以快速鑒定到這種互作的化學(xué)物質(zhì)，很有可能加速新型抗生素的篩選。
德利斯特恩決定轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)室的工作重心，幾乎專門來研究這些技術(shù)方法。他那是還是一名青年研究員，他認(rèn)識(shí)的所有人都不建議他冒這個(gè)險(xiǎn)。但院長(zhǎng)泰勒鼓勵(lì)他馬上申請(qǐng)終身教職。“皮特在分析和計(jì)算領(lǐng)域潛力非常突出，經(jīng)常能夠擺脫思維局限性，”泰勒說，“他之前的研究項(xiàng)目都發(fā)展得十分迅速。”
觀測(cè)不純凈樣本的問題在于，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)十分混亂。掃描微生物菌落會(huì)產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的條形碼，但是其中大部分都不知道與什么有關(guān)，相當(dāng)于一堆沒有注釋的信息。“這就好像在昏暗的路燈下看東西，”德利斯特恩說，“人們只能‘看到’之前鑒定過的分子物質(zhì)，但是絕大多數(shù)分子都是未知的。”揚(yáng)松也認(rèn)為這是這一領(lǐng)域目前的一個(gè)大挑戰(zhàn)：“用質(zhì)譜儀來分析特征是可行的，但僅憑這些特征仍很難鑒定分子物質(zhì)是什么。”
為了分析這些龐大的數(shù)據(jù)，德利斯特恩與UCSD的計(jì)算生物學(xué)家努諾·班代拉(Nuno Bandeira)合作，根據(jù)樣品分子與已知分子的關(guān)系將條形碼和分子物質(zhì)分類，這使得研究人員開始從計(jì)算分析的角度預(yù)測(cè)上千種代謝物的結(jié)構(gòu)和功能。但是目前依然有大量的數(shù)據(jù)沒有得到注釋：盡管世界范圍內(nèi)有數(shù)千人從事質(zhì)譜研究工作，但大部分人只對(duì)他們感興趣的幾個(gè)分子進(jìn)行了注釋。
因此，2014年起，德利斯特恩與班代拉實(shí)驗(yàn)室的研究生*迅(音，Mingxun Wang)開始嘗試眾包注釋。他們建立了一個(gè)，取名為“天然產(chǎn)物分子互作網(wǎng)絡(luò)”作為數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)分析工具，使得研究人員們能夠揭示相關(guān)分子物質(zhì)的關(guān)系、將相似分子歸類并比較數(shù)據(jù)庫。“他建立的這個(gè)給這一領(lǐng)域的發(fā)展帶來了巨大幫助。”揚(yáng)松說道。
團(tuán)隊(duì)合作
德利斯特恩成功的關(guān)鍵因素之一就是他的合作精神。微生物組DNA及RNA測(cè)序?qū)＜伊_布·奈特(Rob Knight)就和德利斯特恩在同一棟建筑里工作，他們將測(cè)序與質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行研究。去年，德利斯特恩實(shí)驗(yàn)室的一位博士后阿米娜·布斯利瑪尼(Amina Bouslimani)在一位男性志愿者和一位女性志愿者身上選取400個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，并將實(shí)驗(yàn)重復(fù)了兩次。一組樣品送往奈特實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物測(cè)序，另一組樣品則通過質(zhì)譜儀來鑒定與微生物共存的天然及人工的化學(xué)物質(zhì)。
實(shí)驗(yàn)要求志愿者在采樣前三天禁止洗澡或使用化妝品，可樣品中仍有上百種微生物的化學(xué)特征被美容產(chǎn)品和衛(wèi)生用品中的化學(xué)物質(zhì)遮蓋掉了。不過研究人員仍舊發(fā)現(xiàn)了微生物群落與局部化學(xué)物質(zhì)之間的一致性：比如說，女性陰道部位的細(xì)菌就與炎癥分子有關(guān)。德利斯特恩表示，這樣的可用來判斷微生物-寄主互作的假說。
布斯利瑪尼目前正在分析來自志愿者手部及手機(jī)等個(gè)人用品上的樣品。這項(xiàng)目前還未發(fā)表的工作顯示，人們會(huì)在接觸過的物體上留下*而恒久的化學(xué)標(biāo)記——就像德利斯特恩辦公室的那副圖像一樣。
阿米娜和德利斯特恩認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)可以在司法科學(xué)上有所應(yīng)用。采自嫌疑人皮膚的樣品可用來分析其化學(xué)特征是否與犯罪現(xiàn)場(chǎng)相符。在缺乏DNA或指紋證據(jù)的情況下，罪犯留下的化學(xué)物質(zhì)也可以提供生活檔案：他們用過的物品以及身上攜帶的微生物都可以合成畫像。“或許這些化學(xué)特征能夠幫助調(diào)查者縮小搜查范圍。”布斯利瑪尼說道。
去年，德利斯特恩與紐約大學(xué)的微生物學(xué)家瑪利亞·多明戈斯-貝略(Maria Dominguez-Bello)等人合作，想要了解人類在不穿戴服飾的情況下皮膚情況及其微生物多樣性。他們從巴西瑪瑙斯、坦桑尼亞哈扎等偏遠(yuǎn)部落的居民身上采集了樣品，并將其與采集地點(diǎn)附近非部落居民的樣品相比較。利用德利斯特恩的質(zhì)譜技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)部落居民的微生物群落及皮膚化學(xué)物質(zhì)的多樣性要高于生活方式較為現(xiàn)代的非部落居民。德利斯特恩說，目前正在進(jìn)行的工作也有一些驚人的結(jié)果：巴西某一村莊的居民皮膚上具有多種藥物分子，這說明他們與外來者的接觸要比之前預(yù)測(cè)的多。
德利斯特恩表示，這項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于改善海洋生態(tài)環(huán)境，或者提高農(nóng)業(yè)效率，以減少溫室氣體排放。提到這些想法時(shí)，他整個(gè)人身體前傾，表現(xiàn)得十分激動(dòng)。但問及他下一步將選擇什么樣的研究課題時(shí)，他首先提到的還是人類健康。“對(duì)我們而言，這是顯而易見又直截了當(dāng)?shù)?mdash;—我們首先還是想要幫助病人。”他說。
德利斯特恩與奈特，還有UCSD的成人囊性纖維化門診主任道格·康拉德(Doug Conrad)等人合作發(fā)展了快速微生物診斷測(cè)試手段。囊性纖維化會(huì)引起肺部粘液的堆積，從而受到細(xì)菌周期性的感染。這種感染需要抗生素的積極治療——但有時(shí)候細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生抗藥性。德利斯特恩及其同事通過分析來自囊性纖維化患者的粘液樣品得到的質(zhì)譜結(jié)果數(shù)據(jù)，鑒定到了未被標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)藥技術(shù)發(fā)現(xiàn)過的微生物群落。
今年剛剛加入德利斯特恩實(shí)驗(yàn)室的博士后路易斯-菲利克斯(Louis-Félix Nothias-Scaglia)目前正在分析牛皮癬患者的皮膚，而牛皮癬通常被認(rèn)為是免疫系統(tǒng)過度活躍引起的。如果能夠在患者皮膚上發(fā)現(xiàn)健康皮膚中不存在的某種細(xì)菌產(chǎn)生的分子物質(zhì)，路易斯-菲利克斯解釋道，那么就有可能用于開發(fā)治療或者甚至預(yù)防牛皮癬的藥物。這樣的話，利用微生物的改變來預(yù)測(cè)牛皮癬的發(fā)生，就能令患者減少免疫抑制藥物的使用。
將這種數(shù)據(jù)密集型的技術(shù)應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中又將是一個(gè)挑戰(zhàn)。“肯定會(huì)有人說這太復(fù)雜了，不可能推廣開來。”康拉德說。“在某種程度上，我能理解這種看法。但我們現(xiàn)在的發(fā)展勢(shì)頭不錯(cuò)，繼續(xù)按照目前的方法做下去或許就能得到不錯(cuò)的結(jié)果。”
但德利斯特恩想要的不僅僅是維持現(xiàn)狀繼續(xù)做下去，他想要改變目前的狀況，尤其是正在蓬勃發(fā)展的微生物組學(xué)研究領(lǐng)域。他認(rèn)為學(xué)科發(fā)展就是要經(jīng)歷不同的階段：*階段注重于微生物的鑒定，而第二階段就是利用質(zhì)譜等技術(shù)探明這些微生物究竟在干什么。
是什么驅(qū)動(dòng)著微生物群落的建立?它們采用怎樣的代謝方式?微生物之間、微生物與寄主之間又是如何互相作用的?“如果你能從根本上理解了這些問題，”德利斯特恩說，“那么你就可以開始控制它了。”他認(rèn)為，第三階段就是控制微生物。通過操縱微生物群落，是不是就能添加必需成分來改變?nèi)梭w健康、情緒和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)了呢?德利斯特恩認(rèn)為這些問題的答案就擺在他面前，而他只需進(jìn)一步探索。
[來源：環(huán)球科學(xué)]
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