Reversible fixation of microbial cells for targeted genomics
本文引入了双(琥珀酰亚胺基丙酸)二硫代物 (DSP) 作为一种可逆固定剂，通过实现高质量荧光成像以及随后针对复杂微生物群落进行靶向基因组学的 DNA 提取，克服了传统方法的局限性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
为了了解微观世界的隐秘生活，科学家们通常需要捕捉拥挤群落中特定细菌的瞬间。想象一座规模宏大、繁忙喧嚣的城市，从远处看，每位居民都几乎一模一样。为了研究某个特定的家庭，研究人员必须先找到他们，然后将他们分离出来，且不能损坏他们最珍贵的财产：遗传蓝图。几十年来，科学家们一直使用一种被称为荧光原位杂交（FISH）的技术，将其作为一种发光的搜索灯。他们将一个微小的、发光的标签附着在细胞内一段特定的遗传物质上，使该细胞在显微镜下亮起来。一旦识别出目标，这些发光的细胞就可以使用一台通过光信号进行分离的机器从混合物中筛选出来。然而，长期以来一直有一个主要的障碍阻挡了这条道路。为了让细胞变得可见且足够稳定以便于分选，研究人员通常必须对其进行“固定”，这个过程类似于将标本保存在甲醛中或浸泡在酒精中。虽然这种方法保留了细胞的形状，但也像一把沉重的锁，锁住了遗传物质，使得稍后几乎无法读取其 DNA。正是这个让科学家找到正确细胞的步骤，往往破坏了研究其基因组的能力，使得最有趣的微生物被锁在了一种沉默、无法读取的状态中。
现在，一组研究人员开发出了一种解锁这扇门的新方法。他们引入了一种名为二硫代双（琥珀酰亚胺）丙酸酯（DSP）的化学物质，它作为一种可逆的固定剂。可以将 DSP 想象成一种临时的胶水，它既能将细胞固定在一起并让发光标签发挥作用，稍后又可以被溶解以释放完整的 DNA。在他们的研究中，科学家们在纯培养物、河水、海洋沉积物和人类粪便中的细菌上测试了这种新方法。他们发现，经过 DSP 处理的细胞与使用传统严苛化学物质处理的细胞一样明亮，并且在储存期间能保持数月的稳定性。至关重要的是，当研究人员加入一种简单的化学试剂来打破 DSP 键时，细胞会完美地释放出其 DNA，准备好进行测序。这意味着科学家现在可以识别特定的微生物，将其筛选出来，并立即读取其完整的遗传密码，而不会受到旧有保存方法所造成的损伤。
研究人员通过从复杂的粪便样本中分选特定细菌，展示了这一方法的威力。他们针对的是已知对肠道健康至关重要的细菌群，例如Faecalibacterium（普拉梭菌属）和Phocaeicola（福卡伊菌属）。利用这种新的 DSP 方法，他们能够将这些特定类群富集高达原样本的七十七倍。从这些分选出的细胞中，他们成功重建了高质量的基因组，揭示了这些难以研究的生物的完整遗传潜力。在一个引人注目的例子中，他们分离了单个Phocaeicola vulgatus（普通福卡伊菌）细胞，由于 DNA 保存得非常好，他们不仅看到了细菌自身的基因，还看到了寄生在其中的被称为质粒的微小环状 DNA 片段以及病毒序列。这种细节水平让科学家能够精确观察哪些病毒感染了哪些细菌，以及细菌如何共享遗传特征，这种分辨率在以前对于这些特定目标来说是无法企及的。
研究还表明，这种方法在各种环境中都能奏效。无论是观察河流中的细菌、深海泥中的细菌，还是人类肠道中的细菌，DSP 固定剂的表现都始终如一。它保留了细胞的物理质量，确保它们在储存过程中不会萎缩或消失，并且对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌（两种主要的细菌细胞壁结构类型）均有效。研究人员指出，虽然一些旧方法在面对某些坚韧的细胞壁时表现不佳，但这种新方法实现了对广泛微生物生命的成功识别和分选。通过将观察特定细胞的能力与读取其 DNA 的能力相结合，这项新技术为探索微生物组提供了一个强大的工具。它意味着科学家现在可以不再仅仅猜测群落中哪些微生物在做什么，而是可以精确锁定哪些微生物正在活跃，将它们筛选出来，并直接从它们的遗传密码中阅读它们的故事。
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