细菌。有时候我们不能和他们生活在一起，但是越来越多的人认识到我们不能没有他们。无论是致病的病原体还是生活在微生物群落中的有益物种，科学家们都同意一件事——我们需要更多地了解细菌，特别是它们是如何形成的，以及它们是如何生活在一起的。
王波开发的一项新技术允许科学家根据细菌细胞壁的强度来区分细菌。(图片来源:Getty Images)
“今天我们研究的是细菌的一个小子集，”斯坦福大学生物工程助理教授王波说。“我们需要新的方法来拨弄这些生物，找出它们的活动机理，同时也需要新的方法来识别大量仍然生活在阴影里的物种。”
考虑到这一点，王的实验室开发出了一种聪明的方法，除去细菌核心外骨骼以外的几乎所有东西，只留下空的细胞壁，这对保持任何细菌细胞的独特形状至关重要。然后，研究人员用一种可膨胀的液体填充这个外壳，以测量每种微生物能承受多大的内应力。通过在显微镜下观察这些中空的细菌，科学家们可以确定哪些种类的细菌因为外部压力而变得臃肿，哪些种类的细菌能够抵抗扩张而保持原来的大小。
研究人员在《公共科学图书馆·生物学》的一篇论文中描述了这种膨胀显微镜技术。生物工程、微生物学和免疫学教授、这篇论文的作者之一KC Huang解释说，细胞的强度与在这种处理下细胞的扩张程度有直接联系。细胞越膨胀，细胞壁就越脆弱，反之亦然，这些信息对于抗击细菌感染至关重要。
“很多研究都集中在如何让抗生素穿过细胞壁从而发挥作用，”黄说。“任何深入了解细胞生存特征和弱点的方法都意味着我们可以更有效地消灭入侵者。”
探索微生物
除了对抗疾病之外，研究人员相信他们的技术将在微生物研究中被证明同样有用。微生物研究是一个新兴的领域，它不仅研究单一的细菌物种，而且研究物种的生态系统是如何协同工作的。在每一个微生物群落中都有各种各样的物种，它们的环境可能是地狱般的。肠道里的细菌比高峰时段地铁里的乘客要密集得多，除了推推搡搡之外，它们还不时地被酸性物质浸泡。膨胀显微镜提供了关于这些细菌如何在压力下生存的新信息，使科学家们能够在人群中把坚韧的细胞从脆弱的细胞中分离出来。
王说:“这项技术揭示了之前被隐藏的细菌的特性或性格。”
一个群落中的细胞通常由它们的形状或颜色来识别，因此，对扩张的抵抗提供了下一个理解维度:坚定性。“在有人告诉你一个物体的样子之后，你想知道的下一件事就是它的感觉，”黄说。“膨胀显微镜使你能看到的东西有了触摸的感觉。”
肥皂和水凝胶
为了在测试前清空细胞，王的团队使用了特殊的肥皂来溶解所有细菌的细胞膜，用酶来溶解其中的大部分生物物质。膨胀技术的关键是他们发明了一种方法，把一种叫做水凝胶的物质吸引到这些细菌外壳中。有些水凝胶，比如用在一次性尿布上的水凝胶，在吸收液体时会膨胀。研究人员将细菌外壳嵌入水凝胶中，水凝胶在细胞内部固化。当研究人员加入水，水凝胶就会膨胀。具有坚固细胞壁的细菌保持着它们的大小，而其他的细菌则膨胀到不同的程度。
研究人员用沙门氏菌测试了这项技术，沙门氏菌是食物中毒的主要原因。当人被感染时，被称为巨噬细胞的防御细胞发现并吞噬细菌。在巨噬细胞吞噬沙门氏菌后，研究人员将这些战斗过的细菌放入水凝胶中。细菌受到攻击的时间越长，它们就越扩张，这表明巨噬细胞正在破坏沙门氏菌细胞壁。出乎意料的是，一些细胞似乎比其他细胞更坚硬，这为治疗沙门氏菌感染的策略提供了关键信息。研究人员还对植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)进行了压力测试。植物乳杆菌是一种常见的益生菌，已被证明可以预防印度婴儿的败血症。乳酸菌有一层非常坚固的细胞壁来阻止它的扩张，这使得研究人员可以很容易地将它与相邻的细菌区分开来，当它们处于混合种群中时。
王说，这项新技术的一个强大的方面是，它将与许多科学家已经拥有的其他显微镜工具一起工作。这个过程相对简单，因此研究人员可以很容易地通过戳戳细菌来测量它们的硬度，不管它们是被研究过的还是以前不知道的。
王说:“这样的工具可以使细胞基本特性的新信息广泛应用于该领域，从而加快发现的步伐。”
王波也是斯坦福大学生物x和吴仔神经科学研究所的成员。KC Huang也是Stanford Bio-X的成员，Stanford chemi – h的教员，Chan Zuckerberg Biohub的研究员。其他作者包括化学工程助理教授秦健，博士后学者林永斌，研究生玛格丽塔·哈里顿和塞缪尔·r·布雷。前斯坦福大学博士后学者Anthony L. Shiver、Keara M. Lane和Katharine M. Ng也对这项工作做出了贡献。
这项研究得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、斯坦福大学(Stanford)艾伦发现中心(Allen Discovery Center)、Burroughs Wellcome基金、贝克曼青年调查奖(Beckman Young research Award)和陈-扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)的支持。
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