Reversible fixation of microbial cells for targeted genomics
本論文は、高品質な蛍光イメージングと、複雑な微生物群集からの標的ゲノミクスに向けたその後のDNA抽出の両方を可能にすることで、従来の手法の限界を克服する可逆的な固定剤として、ジチオビス(スキシニミジルプロピオネート)（DSP）を紹介するものである。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
微小な世界の隠された生活を理解するために、科学者たちはしばしば、混み合ったコミュニティの中から特定の細菌の姿を捉える必要があります。あらゆる住民が遠くから見ればほぼ同一に見える、広大で賑やかな都市を想像してみてください。ある特定の家族を研究するためには、研究者はまず彼らを見つけ出し、次に彼らの最も大切な持ち物である遺伝的設計図を傷つけることなく、彼らを分離しなければなりません。数十年にわたり、科学者たちは蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）と呼ばれる技術を、光るサーチライトのように用いてきました。彼らは細胞内の特定の遺伝物質に小さな光るタグを取り付け、その細胞が顕微鏡下で光り輝くようにします。一度特定されると、これらの光る細胞は、光によってそれらを分ける機械を使って混合物の中から選別することができます。しかし、長らくこの道を阻んできた大きな障害がありました。細胞を可視化し、選別できるほど安定させるために、研究者は通常、細胞を「固定」する必要がありました。これは、ホルムアルデヒドで標本を保存したり、アルコールに浸したりするプロセスに似ています。この方法は細胞の形状を維持しましたが、同時に遺伝物質に対して重い錠前をかけるような役割も果たし、後でDNAを読み取ることをほぼ不可能にしてしまったのです。適切な細胞を見つけることを可能にするまさにそのステップが、ゲノムを研究する能力を破壊してしまうことが多く、最も興味深い微生物たちが、沈黙した読めない状態の中に閉じ込められたままになっていました。
研究チームは今、この扉を開く新しい方法を開発しました。彼らは、ジチオビス(サクシニミジルプロピオネート)、すなわちDSPと呼ばれる化学物質を導入しました。これは可逆的な固定剤として機能します。DSPを、細胞を繋ぎ止め、光るタグが機能するようにするが、後にDNAを無傷で放出するために溶かすことができる「一時的な接着剤」と考えてください。研究の中で、科学者たちはこの新しい手法を、純粋培養、河川水、海洋堆積物、およびヒトの糞便中の細菌に対してテストしました。彼らは、DSP処理された細胞が従来の過酷な化学物質で処理されたものと同じくらい明るく光り、保管中も数ヶ月間安定していることを見出しました。決定的なことに、研究者がDSPの結合を壊すための単純な化学剤を加えると、細胞は完璧にDNAを放出し、シーケンシング（配列決定）の準備が整いました。これは、科学者が特定の微生物を特定し、選別し、そして古い保存方法による損傷を受けることなく、直ちにその全遺伝コードを読み取ることができるようになったことを意味します。
研究者たちは、複雑なヒトの糞便サンプルから特定の細菌を選別することで、このアプローチの威力を実証しました。彼らは、FaecalibacteriumやPhocaeicolaのように、腸の健康に重要であるとされる細菌グループを標的にしました。この新しいDSP法を用いることで、彼らはこれらの特定のグループを、元のサンプルと比較して最大77倍にまで濃縮することに成功しました。これらの選別された細胞から、彼らは高品質のゲノムを再構築することに成功し、研究が困難であったこれらの生物の完全な遺伝的可能性を明らかにしました。一つの際立った例では、彼らはPhocaeicola vulgatusの単一細胞を分離し、DNAが非常に良く保存されていたため、細菌自身の遺伝子だけでなく、その中に生息するプラスミドと呼ばれる小さな環状のDNAやウイルス配列までも観察することができました。このレベルの詳細さは、どのウイルスがどの細菌に感染しているのか、そして細菌がどのように遺伝的特徴を共有しているのかを正確に把握することを可能にします。これは、これまでの特定の対象物に対しては手の届かなかった解像度です。
この研究は、この手法が幅広い環境において一貫して機能することも示しました。河川の細菌を見ているのか、深海の泥を見ているのか、あるいはヒトの腸内を見ているのかに関わらず、DSP固定剤は一貫して良好に機能しました。それは細胞の物理的な質量を保持し、保管中に細胞が収縮したり消失したりしないようにし、グラム陰性とグラム陽性の両方の細菌（細菌細胞壁の2つの主要な構造タイプ）に対して機能しました。研究者たちは、古い手法の中には特定の強固な細胞壁を持つものに対して苦戦するものがあることを指摘しましたが、新しいアプローチは、幅広い微生物の生命の特定と選別を成功させました。特定の細胞を見る能力と、そのDNAを読み取る能力を組み合わせることで、この新しい技術はマイクロバイオームを探索するための強力なツールを提供します。これは、科学者がコミュニティの中でどの微生物が何をしているのかを推測する段階を超え、今やどの微生物が活動的であるかを正確に突き止め、それらを分別し、その遺伝コードから直接その物語を読み取ることができるようになったことを示唆しています。
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