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极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此

admin 2019-10-29 144人围观 ,发现0个评论

“肠道”是由热心肠研讨院录制的类TED讲演节目,本文为第六期第八位讲演嘉宾王炜的讲演内容,视频请观看:肠道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此!

导言:怎么给肠道细菌符号荧光,这有什么使用?隔着肚皮看到肠道细菌真的或许吗?化学魔棒怎么助力揭开肠道奥妙?


讲演者介绍

王炜 上海交通大学医学院助理研讨员;我国生物化学与分子生物学会糖复合物专业委员会青年委员;热心肠智库专家

上海交通大学医学院分子医学研讨院助理研讨员,我国生物化学与分子生物学会糖复合物专业委员会的青年委员。以榜首或通讯作者宣布SCI论文6篇。


图文实录

咱们晚上好,我是来自上海交通大学医学院分子医学研讨院的王炜。我今日想和咱们聊一下化学家和肠道菌群的一些偶遇的故事。

假如现在说肠道菌群是一个新发现的器官,信任咱们不会有太大的争议了。

一个健康人的肠道中,大约有1千克左右的肠道细菌。它们首要经过物质代谢和与免疫系统的相互作用来发挥它们的影响。

这么大的体积,这么重要的作用,这么广泛的影响,把它称为一个新发现的器官,应该是咱们都能承受的。

可是我今日更想着重的是,肠道菌群一同也是一个十分杂乱的生物反响器。它至少含有300-500种的细菌,细胞数目与人类自身细胞的数目总数适当。

而且更重要的是,其间含有大约1000万个左右的基因,咱们可以想见其间有多么杂乱和多么多样的化学反响。

据估计,咱们每个人的血液中,大约有挨近1000种的小分子化合物,是来自于肠道菌群的,那现在已知的只需大约10%。

咱们想一下,每个人的肠道中都有这么一个十分杂乱的反响器,每天都有许多的肠道菌群发生的小分子化合物进入到咱们的血液中。

可是咱们对这个进程的了解之少,其实也十分让人惊奇。

这就引出了我今日想讲的一个论题——便是假如咱们想更详尽更深化的研讨肠道菌群的功用,有必要需求化学家的参加。

近些年,在肠道菌群物质代谢方面,研讨的比较清楚的一个比如是氧化三甲胺这个分子。

咱们往常吃的红肉、鸡蛋、奶酪中,都往往含有高含量的胆碱、肉碱,这些物质的一同特色是含有三甲胺这样一个基团。

在肠道中,肠道细菌可以把三甲胺基团释放出来,构成游离的三甲胺;这些游离三甲胺进入血液抵达肝脏往后,被转化为氧化三甲胺;这些氧化三甲胺就有或许构成动脉粥样硬化。

这个进程的发现,是和美国凯斯西储大学王则能教授的奉献密不可分的,王教师是一位生物学家。

别的一个问题——到底是哪些细菌的哪些酶把这个碳氮键打断,然后释放出三甲胺分子?这些酶类的发现是哈佛大学化学与化学生物学系Emily Balskus教授的奉献。

举这个比如想和咱们阐明,生物学家和化学家的通力合作,对咱们了解肠道菌群的详尽深化的功用是多么的重要!

别的一个比如,想跟咱们聊的是来自维也纳大学的Michael Wagner教授的一个十分美丽的作业。

他们是想研讨,在宿主的体内有哪些肠道菌群,能更长于使用宿主排泄的一些蛋白(比如说粘蛋白),为它们自己所使用,这是一个十分重要的物质交流的进程。

他们将含有N15符号的氨基酸,经过静脉注射给小鼠往后,过一段时间在小鼠的肠道中做一个切片。

然后用先进的质谱分析的方法,结合FISH(免疫荧光原位杂交)的方法,他们就能发现特定的细菌的确能有高含量的N15的信号。

就阐明晰这些细菌很或许便是真实在体内喜爱、拿手使用宿主的这些粘蛋白为自己所用。这样的话,经过一种十分直观的成像的方法,就能让所呈上的信息一望而知。

下面我想给咱们简略介绍一下,近些年开展的一些肠道菌群的成像的化学东西。

榜首个仍是咱们十分了解的FISH的方法——免疫荧光原位杂交技能。

简略介绍一下的话,它便是一段特定的符号了荧光的DNA序列,可以靶向地结合特定的细菌的Ribosome(核糖体) RNA的结构。

FISH碰到的一个问题,便是可以挑选的荧光染料是品种比较少的。由于太多荧光染料的话,或许会有信号的堆叠。

哈佛大学医学院的Gary Borisy教授就创造晰这样一种排列组合的方法,在同一个DNA上面连两种不同的荧光基团。

咱们知道,排列组合往后,可以选的荧光品种、可以选的DNA的数量就会大大添加。咱们可以在同一个样品中,一同调查更多种的细菌。

别的一个十分酷的作业,是上一年宣布在《天然》杂志上的,由加州理工大学的Shapiro教授开发的,使用超声成像肠道细菌的一个技能。

他们在一些可以导外源基因的细菌,比如说大肠杆菌中导入外源蛋白。不过导入的不是一种一般的荧光蛋白,而是一种可以在细菌细胞内构成纳米小气泡的这样一种蛋白。

咱们知道,超声对小气泡是十分灵敏,有十分强呼应信号的。因而他们就能充分使用超声对安排的高穿透性的特色做相关研讨。

把这样的大肠杆菌导入小鼠的肠道内往后,他们就能使用超声的成像仪器,直接调查这些大肠杆菌在小鼠肠道里面的散布状况。

第三个比如,我想举的也是哈佛大学的Dennis Kasper教授开发的代谢符号结合荧光成像肠道细菌的方法。

咱们也都知道,现在绝大部分肠道细菌仍是不能进行转基因操作的,而且惯例的荧光蛋白在肠道里面的作用也是不太好的。

他们用的这种战略——代谢符号,是一种化学生物学中十分经典的一种方法。简略来说,便极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此是在养细菌或许养细胞的时分,咱们加进去一个外源的小分子探针。

这个小分子探针的结构和细菌自身细胞外表的一些原有的结构十分像,可是一同它们又带有一些特异的化学基团、化学标签。

这样的话,这些探针就能在细菌自身的代谢通路中蒙混过关,然后表到达细菌的外表。一同它们带有的化学标签也让咱们有了更进一步进行化学操作的或许。

比如说,咱们可以进行一个点击化学反响,将一些荧光基团偶联到细菌的外表,然后可以使用这些荧光基团来追寻细菌的散布。

这样就完美地绕过了转基因的这一步操作,然后只需细菌可以养,我就有方法给它安稳地带上荧光。

经过这几个比如,咱们能看到,看清肠道菌群其实仍是咱们一个重视的焦点。

下面我想讲一下,最近几年咱们自己在肠道菌群成像调查东西开发中的一些测验。

我自己本科是学的临床医学专业,然后博士期间是学的生物化学和微生物学,在博后阶段,我又触摸到了化学生物学。

我自己对开发使用化极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此学东西来处理和医学相关的微生物学问题,是十分感兴趣的。

在几年前,咱们刚刚进入到肠道菌群研讨范畴的时分,咱们就想,先极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此给自己设定一个小方针吧——能不能在一个杂乱的肠道菌群样品中,先把革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌用荧光成像的方法区别开来。

由于咱们知道,传统的革兰氏染色是在1884年,由丹麦的Hans Christian Gram教授创造的,沿用了130多年,根本没有做什么根本性的改动。

它的一个问题,便是在面对杂乱样品的时分,成像、染色作用往往欠好。

咱们了解到这个问题往后,咱们就想能不能使用抗生素分子对细菌结合的特异性,在不损坏抗生素与细菌结合的这种特异性的一同,把抗生素分子改构成一种荧光成像的探针呢?

咱们挑选了两种抗生素,别离是万古霉素和多粘菌素,它们别离可以结合革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。

咱们经过简略的化学反响——荧光润饰,把它们别离连上了不同的荧光基团。

咱们能看到,咱们对肠道菌群的荧光符号成像是十分清楚、十分美丽的。咱们看到赤色的,这便是革兰氏阴性菌,绿色的便是万古霉素符号的革兰氏阳性菌。

更有意思的是,在更杂乱的样品里面,比如说这是一个小鼠的肠道安排切片,咱们的万古霉素探针相同可以十分清楚地显现出其间的革兰氏阳性菌的地点。

这是一个毫米级的样品,咱们能显现出微米级的单菌的散布状况。

或许更有意思的是,在一些临床安排样品里面,比如说这个脑脊液的涂片,其时检验科的医师送过来的时分,他们以为是有细菌感染的。

可是传统的革兰氏染色方法没有方法很好的显现出其间的细菌,由于许多细菌是藏在免疫细胞细胞内的。

可是咱们的万古霉素探针却能十分清楚地显现出这些细菌的地点,那现在咱们也在尽力的把这项技能推广到临床使用中去。

举这个抗生素的比如,我想跟咱们说一下,便是咱们用化学的思路,经过简略的润饰改造,也能把一些看似毫不相关的分子,比如说这些抗生素分子,十分好、十分灵敏、十分有利地使用到肠道菌群的研讨中去。

下面一个我想跟咱们共享的比如,是咱们最近刚刚宣布的一个作业,是有关粪菌移植。

关于粪菌移植,咱们都很了解了。它便是一个微生物疗法,用健康人的菌群移植给患者往后,改进他的肠道微环境,可以医治许多的肠内和肠外疾病。

那现在全世界有超越200个注册在案的粪菌移植临床试验,而且大部分都显现了有必定的作用。

可是现在咱们面对的遍及的一个问题便是——粪菌移植的作用机制不清楚,那这就大大约束了咱们对粪菌移植的了解,对粪菌移植操作过程的优化和供体的规范化。

咱们了解到这个问题往后,就想能不能有一种方法,可以让咱们对粪菌移植进程中植入的菌的散布状况进行追寻,而且可以判别植入的菌中,哪些是真实可以在受体里面存活下来的呢?

由于这个信息,就有或许告知咱们粪菌移植发挥真实成效,是不是便是由于这些移植进程中存活下来的菌。

为了处理这个问题,咱们规划了这样一个思路——

假如咱们用代谢符号的方法,将一只供体小鼠的菌群都带上绿色的荧光。由于代谢符号是依托细菌自己的酶的作用才干完结的,所以说只需活的细菌才干带有这样的荧光符号。

这时分我拿这样一种绿色的供体的菌群,移植给别的一只受体的小鼠的时分,理论上咱们就能追寻供体菌群的散布状况。

相同的,假如咱们再进行第2次的荧光符号,比如说这时分咱们选的荧光是一种赤色的荧光。那移植过来的细菌,假如它能在受体里面存活,那理论上讲,它们是有时机触摸到这个赤色的探针,然后完结第二步的符号的。

咱们终究搜集这只受体小鼠整的菌的时分,应该能看到里面有某些细菌既带有赤色又带有绿色,这必定是在移植进程中能存活下来的植入菌。

为什么呢?由于它之所以带有绿色,肯定是来自供体的菌群;之所以带有赤色,肯定是在受体中有代谢活动,可以存活下来的细菌。

所以说双色符号的细菌,咱们就以为它是移植进程中存活下来的细菌。

假如它只带有绿色不带有赤色,很或许便是在移植进程中没有存活下来的植入菌;假如它只带有赤色不带有绿色,它有很大的或许性是受体小鼠原有的一些菌群。

这样咱们经过两种色彩在不同细菌的散布,就能十分好区域别出几种细菌的各自的来历和去向。

一同咱们可以用流式细胞仪,可以用荧光显微镜来十分清楚地表征这种信号的散布。

咱们也给咱们这个方法起了一个十分形象的姓名,叫做STAMP(Sequential Tagging with D-Amino acid-based Metabolic Probes),这来自于它的间质性肺炎英文简写。

它就像一个邮戳相同,能告知咱们这个细菌是从哪里来,它们要到哪里去,它们终究到了哪里去。

咱们用的代谢符号探针是一种根据D-型氨基酸的非天然小分子,它的符号的靶标是细菌肽聚糖结构中的D-型的丙氨酸的方位。

细菌的肽聚糖结构十分保存,它在革兰氏阳性菌、阴性菌中都有散布。

它的D-型氨基酸的方位是相对不安稳的,可以被细菌自己的酶所水解、极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此所替代。

当细菌成长的环境中有其它的D-型氨基酸的时分,它的酶就有或许用这个周围环境中的D-型氨基酸,替换掉它本来的D-型的丙氨酸的方位。

而且这个酶对这些D-型氨基酸的侧链的润饰的容忍度很高的——即便你的侧链上带有荧光,它也不管不顾的,就把它润饰到了细菌的细胞壁上。

终究,在咱们完结符号的时分,这个细菌的细胞壁就带有安稳的带有荧光分子的润饰。

这是咱们用的代谢符号的探针的结构式。

当咱们用这个绿色的荧光探针,经过灌胃的方法给到供体小鼠,让供体小鼠的菌群在原位触摸到这些探针,然后给它们必定的时机,让它们代谢符号到它自己的细胞的外表。

终究咱们拿到的供体的菌群,就带有这样十分清楚、高强度、高覆盖率的荧光符号。咱们的荧光符号的信号覆盖率现在可以到达85%,也是十分强的。

咱们拿这个绿色的供体小鼠的菌群移植曩昔往后,就能在受体小鼠的肠道内看到咱们植入菌的散布状况。

现在要害的问题便是,第二步的符号是不是可行?能不能看到双色符号的细菌呢?

这是咱们得到的一个成果,信任咱们能十分清楚地看到,适当一部分的细菌是既带有赤色又带有绿色符号信号的。这部分细菌必定便是植入进程中存活下来的植入菌。

而且两种色彩在细菌上的散布是有必定规则的,咱们能看到,大部分的细菌仍是只红不绿的,绝大部分仍是受体原有的菌群。

咱们也用流式分选技能,把这部分双标的细菌进行极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此了分选,而且进行了后续的测序。咱们发现有几种细菌是在长于存活的亚群里面富集的,而且在其间有几种传统意义上的益生菌。

现在的一个天然的问题便是,假如咱们只选用这几种细菌作为一个规范的供体做粪菌移植的话,是不是可以起到现在所用的惯例粪菌移植的作用?

信任这是一个十分值得持续深化研讨的问题。

更有意思的是,用咱们的STAMP技能可以在原位研讨肠道细菌在肠道里面的一些根本的微生物活动。

咱们看到右侧的这两个细菌,它们都是可以在移植进程中存活下来的植入菌,都带有双色的符号。可是咱们假如仔细看的话,就能看到两种色彩在两个细菌上的散布正好是相反的。

由于咱们第2次用的探针是赤色的,所以说这个细菌新生成的细胞壁应该是带有赤色的符号的。

所以说右上角这个细菌,应该便是传统的二割裂的细菌,从中心往两头成长;下边这个细菌正好相反,它很或许是从两头往中心成长。

现在咱们也在持续地使用STAMP的技能,想研极彩测速平台-肠·道 | 王炜:隔着肚皮看到肠菌?化学法力岂止于此讨一下肠道细菌里面的各型各色的细菌,到底在干什么,它以什么样的方式进行割裂。

由于许多细菌,之前是不能培育的,咱们对它们的知道是十分匮乏的。

今日我一直在讲怎么更好地看清肠道菌群,尽量做到所谓的“眼见为实”。

那咱们现在就有一个问题——假如咱们有一个方法,可以在体外直接看到肠道细菌在小鼠里面的散布,咱们信任这也对整个的肠道菌群研讨是十分有协助的。

这就到了咱们今日想和咱们共享的终究一个故事,我想先给咱们看一个视频。

这是咱们看到的一只活的小鼠,它的肠道菌群在肠道内的实时的活动状况。现在这只小鼠仍然是活的,仅仅处于麻醉状态下。

这个视频也是实时的视频,咱们还能看到肠道菌群在小鼠肠道里面,运动仍是十分生动的。

咱们是怎样完结这一点的?相同的,咱们用了代谢符号的战略。

可是这次咱们用的代谢符号探针,它的DNA探针的侧链是带有炔基基团的,是一个碳碳三键。

这个碳碳三键是十分安稳的,在咱们代谢符号完结往后,在这个菌群的细胞外表,应该就带有许多的这种炔基的符号。

炔基一同还有一个特色,它能和一个咱们称做叠氮基团的化学基团进行十分特异性的、高完结度的反响,咱们叫做点击化学反响。

咱们用的荧光染料便是带有这样的叠氮基团的,所以说咱们点击化学完结往后,咱们这只供体小鼠的菌群就应该带有十分强的荧光符号的。

特别需求指出的是,咱们用的红外的荧光染料不是一般的红外荧光,而是咱们称为红外Ⅱ区荧光的一种分子。

这是近些年来在资料化学中鼓起开展十分快的一种成像技能,它的发射波长可以到达1000纳米以上。这也导致了它们有十分好的安排穿透力,可以穿透挨近2cm的安排。

咱们把这样的菌群移植给别的一只老鼠往后,咱们就可以用红外CCD相机——专门的红外CCD相机来在体外实时的看到肠道中的细菌的散布和运动状况。

这是咱们得到的一个成果,粪菌移植完结往后,可以看到同一只老鼠在不同的时间段,咱们植入的细菌在它的肠道里面的散布状况,从回肠、盲肠、结肠都能十分清楚地看到。

更有意思的是,在无菌小鼠里面,咱们移植完结往后,乃至可以看到肠道中的一些气泡。包含在终究一个时间点,咱们看到肠道中的一个粪块,可以说是毫厘毕现。

比较传统的依托化学发光进行体外活体成像的技能,咱们的空间分辨率要高了许多,而且咱们不需求进行转基因操作,一切的细菌都可以用这种方法来进行体外的实时成像。

信任咱们这种红外成像结合代谢符号的战略,会成为往后肠道菌群研讨中的一个常用的东西。

我想经过今日的讲演,可以压服咱们下一步假如要更详尽、更深化、更快捷的研讨肠道菌群,确的确实需求化学家的参加。

我也想呼吁更多的化学家、化学生物学家来参加到肠道菌群的研讨中来,和咱们的微生物学家、医学家、生物学家一同,一同研讨这个十分诱人的新发现的器官,揭开这个杂乱生物反响器中的更多的奥妙。

终究要感谢一下几位教师、教授和几位搭档、学生在这个研讨进程中的支撑和协助。

谢谢咱们!

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