發(fā)布日期：2018-03-22

　  近日，Science雜志發(fā)表了一項重大的突破性成果：一種被稱為“Mother Machine”的裝置使實(shí)時觀察單個細(xì)菌細(xì)胞中的突變形成（mutagenesis）成為了可能。研究還證實(shí)，突變比人們先前認(rèn)為的更中性。

圖片來源：Science

　 突變是生命變化和進(jìn)化的驅(qū)動力。然而，先前大多數(shù)已知的關(guān)于突變動力學(xué)的知識都是基于間接測量的推理?，F(xiàn)在，在題為“Mutation dynamics and fitness effects followed in single cells”的論文中，來自法國的一個科學(xué)家小組開發(fā)了一種微流體裝置，可以同時觀察數(shù)百個單獨(dú)的大腸桿菌細(xì)胞在多個復(fù)制周期中的分裂和突變?！?/p>

　　觀察突變的重要性

　　未參與該研究的、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的分子微生物生態(tài)學(xué)家Martin Ackermann說：“突變對生物學(xué)至關(guān)重要。一方面，它們是進(jìn)化革新以及地球上生命多樣性的基礎(chǔ)；另一方面，它們也是我們所面臨的一些最緊迫的醫(yī)學(xué)問題的根源。因此，了解突變發(fā)生的時間和它們對生物體的影響是生物學(xué)的一個中心目標(biāo)。而這項新研究朝著這個目標(biāo)邁出了一大步。”

　　牛津大學(xué)研究細(xì)菌突變形成（mutagenesis）的Stephan Uphoff博士對此表示贊同。他說：“這是一篇令人興奮的論文，它結(jié)合了新的方法和重要的問題，即，突變形成的動力學(xué)是什么，以及突變對健康有何影響？”

　　先前方法的局限性

　　據(jù)Uphoff博士介紹，在正常細(xì)菌生長期間檢測突變率的一個常用方法是做一個突變積累試驗（mutation accumulation assay）。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員在瓊脂平板（agar plate）上對一個細(xì)菌進(jìn)行劃線培養(yǎng)（streak a bacterial culture），挑出一個單菌落，再劃線（streak），再挑一次，再劃線，這樣持續(xù)20天左右。對原始菌落和最終菌落的基因組進(jìn)行測序和對比，能夠用來計算每一代的突變數(shù)量。

　　這種方法的問題是，研究人員能夠分析的樣本數(shù)量相當(dāng)少。此外，科學(xué)家們所觀察到的突變對健康的影響是有偏差的。“你永遠(yuǎn)不會看到高度有害或致命的突變，因為這些細(xì)胞永遠(yuǎn)不會形成一個菌落。”Uphoff博士解釋道。

　　創(chuàng)新技術(shù)的突破性

　　在這項最新發(fā)表的研究中，微生物學(xué)家/生物物理學(xué)家Lydia Robert及其同事找到了消除上述偏差的方法。她說：“我們的想法是，利用微流體技術(shù)，我們能夠在每次細(xì)胞分裂后保留一個細(xì)胞，不依賴于它的健康，從而阻止自然選擇的作用。此外，基于微流體的這一系統(tǒng)是高通量的，我們可以通過顯微鏡下的延時成像同時分析1000個單獨(dú)的細(xì)菌細(xì)胞。”

Robert說：“它們在里面‘游泳’，然后被卡住。”L. ROBERT ET AL., SCIENCE (2018)

　　Robert等在2010年開發(fā)了這個被稱為Mother Machine的裝置。首先，它包含一個大通道，細(xì)菌生長所需的培養(yǎng)基通過該通道流動；此外，一連串的終端微通道（dead-end microchannels）垂直于這一大通道。微通道的直徑為1微米大小，剛剛好是一個細(xì)菌的尺寸（上圖）。卡在每個通道末端的細(xì)胞是“母”細(xì)胞（“mother” cells），它們的分裂能夠被持續(xù)觀察。

　　研究結(jié)果的顛覆性

　　為了計算突變發(fā)生的數(shù)量，研究小組使用了表達(dá)一種熒光標(biāo)記錯配修復(fù)蛋白（該蛋白會與復(fù)制錯誤的DNA位點(diǎn)結(jié)合）的細(xì)菌。每一個復(fù)制引起的突變都顯示為一個亮黃色的斑點(diǎn)（下圖）。通過這些實(shí)驗，研究人員估計，大腸桿菌的突變大約每20天發(fā)生一次。他們還指出，突變傾向于以穩(wěn)定的速度發(fā)生，而不是爆發(fā)式發(fā)生。

Bacteria in the mother machine showing replication mutations

MARINA ELEZ AND JEAN OLLION

　　在不同的實(shí)驗中，研究小組分析了細(xì)菌的生長表型，然后應(yīng)用已知的突變率來計算對健康的影響。最終，他們確定，1%的突變是致命的，剩余非致命的突變中大多數(shù)是準(zhǔn)中性的（quasi-neutral）。

　　科學(xué)家們還調(diào)查了傾向于有更高突變率和不同突變類型的大腸桿菌菌株。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管發(fā)生了更多的突變，但這類菌株依然表現(xiàn)出了一種勻速的（even-paced）突變頻率，且影響健康的突變比例也是相同的。

　　論文的共同通訊作者M(jìn)arina Elez總結(jié)道：“基本上，我們發(fā)現(xiàn)，突變比人們先前認(rèn)為的更中性。”

　　未來應(yīng)用的廣泛性

　　Uphoff博士認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)為在更多的條件下調(diào)查突變提供了基礎(chǔ)，如，調(diào)查具有不同遺傳背景的細(xì)菌，或在抗生素存在的情況下進(jìn)行研究。

　　而Robert強(qiáng)調(diào)，更重要的是，這項技術(shù)很可能“能夠適用于許多不同的細(xì)胞”，這將進(jìn)一步擴(kuò)大研究突變動力學(xué)的范圍。

來源：生物探索