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”的裝置使實時觀察單個細菌細胞中的突變形成（mutagenesis）成為了可能。研究還證實，突變比人們先前認為的更中性。

圖片來源：Science

　 突變是生命變化和進化的驅(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。現(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)百個單獨的大腸桿菌細胞在多個復(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）。為了實現(xiàn)這一點，研究人員在瓊脂平板（agar plate）上對一個細菌進行劃線培養(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。“你永遠不會看到高度有害或致命的突變，因為這些細胞永遠不會形成一個菌落。”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)，我們能夠在每次細胞分裂后保留一個細胞，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個單獨的細菌細胞。”

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，剛剛好是一個細菌的尺寸（上圖）?？ㄔ诿總€通道末端的細胞是“母”細胞（“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位點結(jié)合）的細菌。每一個復(fù)制引起的突變都顯示為一個亮黃色的斑點（下圖）。通過這些實驗，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

　　在不同的實驗中，研究小組分析了細菌的生長表型，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Marina Elez總結(jié)道：“基本上，我們發(fā)現(xiàn)，突變比人們先前認為的更中性。”

　　未來應(yīng)用的廣泛性

　　Uphoff博士認為，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菌，或在抗生素存在的情況下進行研究。

　　而Robert強調(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胞”，這將進一步擴大研究突變動力學(xué)的范圍。

來源：生物探索