微生物学研究：如何检测细菌动力

　　

生物通报道：自从1673年列文虎克用他自己制造的显微镜观察到了被他称为“小动物animalcules”的微生物世界之后，生物学进入了微生物阶段。这些微小的动物具有如此惊人的多样性，无论是人体肠道，还是海底世界都充斥着它们的身影，但在此后有了DNA的跨时代发现，微生物就不再是研究的宠儿了，不过依然有不少科学家继续进行对其各种行为的研究。

包括细菌在内的微生物研究常常需要追踪和分析这些生物的动态行为，时至今日这些技术已经得到了长足发展，出现了一些新的工具，如荧光蛋白报告基因，经典技术也获得了新生，如琼脂糖平板上细菌菌落复杂漩涡和螺旋形生长的定量分析等。同时在过去的二十年里，显微镜又卷土重来，通过一些小型，相对廉价的相机，以及日益复杂的图像分析工具帮助科学家们完成了许多分析研究。

The Scientist杂志汇总了一些创新方法，以及经典方法的升级版。

细菌如何被推动的

科学家们已经发现了细菌微生物如何从能在多种结构中游动的秘密，但是不同的细菌如何利用这些结构推动其自身行走依然是个迷。

鞭毛Flagella是细菌用来游泳和入侵宿主的微小的鞭子状结构，科学家们发现鞭毛的构建和运转至少需要50个基因。“但是我们并不知道细菌是如何进行表面移动的，”来自布鲁克林学院的Nicolas Biais说。

Biais研究组一直致力于分析细菌上的一种称为IV pili的结构，Pili又称纤毛（fimbriae），是毛发样的粘附结构，感染时帮助细菌在人体细胞上粘附和形成菌落，其它引发人类感染的细菌也产生相似的pili或纤毛，加剧感染。霍乱弧菌Vibrio cholerae 和淋病奈瑟菌Neisseria gonorrhoeae上就这种结构，Biais将它们称为“小型蜘蛛侠”，因为这些细菌能利用pili拉动自身，与其它细菌相互作用，并吸附到感染宿主的上皮细胞上。

为了研究这种细菌结构，Biais实验室采用了三种方法，这些方法都需要令细菌与其它物体相互作用。首先Biais利用光镊（ptical tweezers）在细菌中加入了蛋白包裹的微珠，细菌就会爬上这些微珠上。通过检测微珠移动的位置，研究人员就能了解细菌的拉动力。同时通过显微相机拍摄这一过程，并利用ImageJ 或 MATLAB进行分析。

但是这种方法有一个弊端，那就是激光会产生热，改变细菌的行为，为了最大程度的还原细菌的活动，Biais等人有构建了一种聚合物支柱，这类似于计算机的那些模块芯片。细菌能在这些微柱上移动，就像蜘蛛侠穿过摩天大厦，Biais检测每个“摩天大厦”的弯曲程度，从而来检测细菌的运动。

第三种方法是磁镊（Magnetic tweezers，生物通注），这更便宜，也更容易在不产生热的条件下发挥作用。同样研究人员也是将磁珠放到细菌中，检测它们的行为。不过这些磁镊不像第一种方法那么灵活，因此大多用于分析那些已知的拉力。

通过组合这些研究工具，Biais 研究组通过对淋病奈瑟氏球菌的研究，发现一束纤毛收缩时的力量可达到单根纤毛的十多倍。这种驱动收缩的分子马达是已知动力最强的纳米生物马达。这一发现通过对菌毛的研究可以帮助解决各种致病菌的治疗难题(PLOS Biol, 6:e87, 2008)。

要想进行这些实验，首先激光仪器不便宜，而且无论是光镊，还是磁镊都需要通过微柱进行校准。相关内容可以参考Biais在一篇文章一个章节中提到的具体内容（Methods Mol Biol, 799:197-216, 2012），其中包括如何制造微柱。另外Biais也在另外一篇文章中详细介绍了磁珠（Methods Cell Biol, 83:473-493, 2007）。不过鉴于各种细菌拉动力的不同，需要参考研究人员本身的目标细菌。

（生物通：张迪）