另辟蹊徑尋找抗生素
Robert Heinzen第一次試圖讓貝氏柯克斯體菌自己生長(cháng)卻慘遭失敗。這種會(huì )引發(fā)被稱(chēng)為Q熱的類(lèi)似流感狀疾病的細菌，通常隻在其感染的細胞中分裂。這迫使研究人員不得不在哺乳動(dòng)物的組織中使其生長(cháng)出來(lái)，並且阻礙了他們研究這種微生物的努力。當上世紀90年代初Heinzen在博士后期間試圖找到一種不同的方式培養這種細菌時(shí)，他得到的只是半本潦草的筆記。
不過(guò)，這個(gè)問(wèn)題讓他終日不得安寧。直到2003年，貝氏柯克斯體的基因組被測序出來(lái)，同時(shí)Heinzen在蒙大拿州哈密爾頓市的美國國立衛生研究院落基山實(shí)驗室創(chuàng )建了自己的實(shí)驗室。他認為，基因組能提供關(guān)於這種細菌新陳代謝和生長(cháng)的重要線(xiàn)索。即便如此，Heinzen指導的博士后Anders Omsland還是花費了近4年的時(shí)間系統測試過(guò)上百種不同組合的培養條件，才找到在細胞外培養這種細菌的完美“食譜”�！爱斔雅囵B菌拿給我看時(shí)，我本以為那是一種污染物�！盚einzen回憶說(shuō)。然而，隨后幾個(gè)月的努力証實(shí)了他們的成功。
貝氏柯克斯體依然屬於少數。據估計，有85%～99%的細菌和古生菌尚無(wú)法在實(shí)驗室中被生長(cháng)出來(lái)。這極大地限制了科學(xué)家對微生物生命的了解，並且阻礙了對通常來(lái)自細菌的新抗生素的尋找。隨著(zhù)現有藥物的耐藥性急劇上升，這種研究正變得更加迫切：上個(gè)月，世界衛生組織批準一項阻擊抗生素抗藥性的全球計劃，同時(shí)一個(gè)由英國政府指派的評審小組呼吁全球制藥行業(yè)投入13億英鎊（合20億美元）復興抗生素研究。為尋找新藥，研究人員表示，他們需要一些替代方法，以調查一系列未被培養出來(lái)的生物體——微生物世界中的神秘“暗物質(zhì)”。
雞尾酒培養法
按照慣例，生物學(xué)家通過(guò)在一系列相當標準的營(yíng)養物質(zhì)中生長(cháng)出某一物種的純培養物來(lái)研究微生物。然而，麻煩在於細菌並不像在自然界中那樣生活：它們居住在一個(gè)非常寬廣的環(huán)境范圍內，並且通常伴有其他有機體，而科學(xué)家一直在試圖重新創(chuàng )造這些條件。不過(guò)，正如Heinzen和Omsland在他們關(guān)於貝氏柯克斯體的研究中所展示的，基因序列能打開(kāi)一扇門(mén)。
Omsland利用測序將細菌在宿主細胞內成功生長(cháng)時(shí)所表達的基因同它們試圖獨自生長(cháng)時(shí)所表達的基因進(jìn)行比較。他發(fā)現，一套涉及蛋白質(zhì)合成的基因在苦苦掙扎的細菌內較不活躍。這暗示，向培養基中加入氨基酸和縮氨酸或許有助於細菌變得繁盛。不過(guò)，即使在Omsland成功地將細菌的蛋白質(zhì)合成增加13倍時(shí)，它仍然無(wú)法分裂。
最終的線(xiàn)索來(lái)自証明貝氏柯克斯體能在低氧環(huán)境中生存下來(lái)的基因。當研究團隊將這種細菌放置在5%或者更少的氧氣中時(shí)，他們最終看到它在生長(cháng)�！斑@是至關(guān)重要的發(fā)現�！盚einzen表示，它不是營(yíng)養物質(zhì)，而是環(huán)境因素。
自從採用無(wú)異種生物混雜或沒(méi)有宿主的新培養技術(shù)，貝氏柯克斯體研究領(lǐng)域得到極大的擴展。通過(guò)選擇性地打開(kāi)或關(guān)閉基因，研究人員了解了這種細菌是如何同宿主細胞發(fā)生相互作用，進(jìn)而將后者感染並且發(fā)生分裂的�！昂敛豢鋸埖卣f(shuō)，在無(wú)異種生物混雜的情況下生長(cháng)貝氏柯克斯體已經(jīng)徹底改變了這個(gè)研究領(lǐng)域�！卑拇罄麃喣珷柋敬髮W(xué)微生物學(xué)家、貝氏柯克斯體研究者Hayley Newton表示。這種細菌在空氣中具有高度傳染性，並且被認為是一個(gè)可能的生物威脅。目前，Heinzen的實(shí)驗室正致力於制造致病基因已被滅活的菌株，以期它們在研發(fā)疫苗時(shí)能派上用場(chǎng)。
同時(shí)，研究人員正在設計針對隻在細胞內生長(cháng)的其他微生物的培養體系。已在華盛頓州立大學(xué)就職的Omsland開(kāi)發(fā)出一種針對導致最常見(jiàn)性傳播疾病的病菌——沙眼衣原體的無(wú)細胞培養體系。他說(shuō)，目前尚未誘導沙眼衣原體在培養基中分裂，但“我生性樂(lè )觀(guān)”，在貝氏柯克斯體上取得成功為他的希望提供了“燃料”。
微型化的培養物
加速尋找培養“食譜”過(guò)程的一種方法是利用微流體芯片。這是一種擁有被不同通道連接起來(lái)、使其有可能同時(shí)運行很多試驗的上千個(gè)微小凹槽。在利用此方法培養出一種新的細菌后，來(lái)自加州理工學(xué)院的Rustem Ismagilov和他的合作者甚至將其命名為isolate microfluidicus 1。
當2012年一群微生物學(xué)家發(fā)表了一個(gè)“最想要的”分類(lèi)群清單時(shí)，Ismagilov已經(jīng)在研究微流體。當時(shí)，他們呼吁科研界生長(cháng)並且測序在人體內相對常見(jiàn)、同已測序生物體關(guān)聯(lián)較遠並且躲避所有培養嘗試的微生物。
Ismagilov和他的團隊用一種容納3200個(gè)納升大小的凹槽並且能放在手掌中的設備回應了這種呼吁。他們從一名健康志願者的腸壁上刮取了樣品，然后將其稀釋?zhuān)灾领睹總�(gè)凹槽中僅有一個(gè)細胞。通過(guò)填滿(mǎn)如此多的凹槽，研究人員增加了他們的目標微生物—— 一種顫桿菌克屬人體腸道細菌找到進(jìn)入至少一些凹槽的道路的機會(huì )。該團隊利用約10個(gè)芯片測試各種條件，並且尋找這種細菌的生長(cháng)。
他們成功地找到了細菌，然后在皮氏培養皿中生長(cháng)出更多的細菌。這是最想要清單上最早被培養出來(lái)的成員之一。進(jìn)一步的遺傳學(xué)研究顯示，isolate microfluidicus 1被錯誤地分類(lèi)，實(shí)際上並不是顫桿菌克屬。其實(shí)，它是一個(gè)新的相關(guān)菌群的一部分。目前，該團隊正在描繪新菌群的特征。
該團隊發(fā)現，生長(cháng)這種細菌的一個(gè)重要成分是從志願者腸道內提取出的少量液體。Ismagilov介紹說(shuō)，能在上千種試驗中擴展這個(gè)珍貴樣品的使用是微流體方法的一個(gè)重要優(yōu)勢。另一個(gè)優(yōu)勢在於每個(gè)初始細胞無(wú)須同其他種群競爭。
密歇根大學(xué)化學(xué)工程師Xiaoxia Nina Lin正利用微流體在人體糞便樣品中“追捕”最想要清單上的成員。細菌通常生活在復雜的群落中，並且經(jīng)常依賴(lài)於其他種群。為此，Lin正嘗試將兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)細胞的無(wú)數種組合放在一起並且放置在芯片上，以剖析這些關(guān)系，並且找到誰(shuí)依賴(lài)誰(shuí)�！斑@是一種很好的工程學(xué)方法�！闭趲椭鶯in獲取臨床樣品的密歇根大學(xué)傳染性疾病研究人員Vincent Young說(shuō)，你能快速減少復雜度。
不要培養要測序
盡管取得了這些成功，培養細菌仍是一項復雜且需要碰運氣的事情。因此，很多研究人員正在完全繞開(kāi)它，相反從基因中獲取信息。測序手段的進(jìn)步意味著(zhù)現在科學(xué)家能分析未被培養出來(lái)的單個(gè)微生物細胞的基因組，而不是像此前那樣，測序由很多不同類(lèi)型微生物構成的群落，然后努力將這些序列重新拼湊回去。
來(lái)自美國能源部聯(lián)合基因組研究院的Tanja Woyke首次對單細胞測序產(chǎn)生興趣是在十年前一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現產(chǎn)生的不久之后。這個(gè)發(fā)現是一種來(lái)自被細菌感染病毒的?能被用於制作一種細菌細胞基因組的很多個(gè)副本。Woyke想利用測序工具填寫(xiě)生命的微生物樹(shù)。
她和團隊成員採集了來(lái)自9個(gè)不同生境的樣品，包括來(lái)自?xún)热A達州一處溫泉的沉積物和太平洋深海熱液噴口的水。他們分離出約200個(gè)細胞，對每個(gè)基因組進(jìn)行測序，並且把細胞分成20多個(gè)不含有任何被培養出來(lái)的代表細菌的新世系�！皬谋环治龅男蛄泻蛦渭毎麛盗窟@個(gè)角度來(lái)說(shuō)，他們首次真正將單細胞基因組學(xué)提高到一個(gè)新水平�！钡聡S爾茨堡大學(xué)海洋微生物學(xué)家Ute Hentschel說(shuō)。
去年，來(lái)自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的J?觟rn Piel和他的同事報告稱(chēng)，他們利用單細胞測序和其他技術(shù)在海綿中確認了未被培養出來(lái)的細菌。這些濾食性生物一直是科學(xué)家的興趣所在，因為它們產(chǎn)生一系列具有抗癌、抗菌和其他藥物價(jià)值的豐富化學(xué)物質(zhì)。它們還庇護著(zhù)佔據40%海綿質(zhì)量的密集微生物群落，並且被推測是這些化學(xué)物質(zhì)的來(lái)源。不過(guò)，這些群落的成員一直未被培養出來(lái)。
Piel和他的團隊將關(guān)注點(diǎn)放在Theonella swinhoei海綿上。其庇護著(zhù)約1000種細菌，並且產(chǎn)生幾十種具有生物活性的已知化合物。2011年，他們開(kāi)始對從海綿樣品中分離出來(lái)的單個(gè)細菌細胞的DNA進(jìn)行測序，並且找到兩個(gè)已知涉及具有生物活性的分子生產(chǎn)的基因簇。他們在一種名為Entotheonella的細菌中發(fā)現了這些基因。
不過(guò)，最令Piel驚奇的是，這種生物體對同海綿相關(guān)的幾乎所有具有生物活性的化合物負責。當序列數據顯示這種細菌庇護著(zhù)所有必要基因時(shí)，這一點(diǎn)變得清晰起來(lái)。在Piel從他的合作者那兒接收到關(guān)鍵數據時(shí)，“我幾乎從椅子上跌下來(lái)”。這是一種未被培養出來(lái)的細菌能成為具有生物活性的化學(xué)物質(zhì)的如此“天才”生產(chǎn)者的首個(gè)証據�！霸趩我痪曛袆�(chuàng )造很多不同化合物的能力並不常見(jiàn)�！盤(pán)iel說(shuō)。
目前，Piel的實(shí)驗室正試圖將來(lái)自Entotheonella的基因簇改造成一種可以培養的生物體比如大腸桿菌，從而使宿主能大量生產(chǎn)化合物。他還在挖掘來(lái)自日本、巴布亞新幾內亞和以色列的海綿細菌基因組，以期尋找其他細菌超級生產(chǎn)者。
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