山东
微生物群落通常表现出特定区域的特性，这导致了复杂的相互作用和紧急行为，这对群落的内稳态和应激反应至关重要。然而，对这些属性的系统级理解仍然难以捉摸。2023年4月13日，清华大学刘锦涛团队在Nature Chemical Biology 在线发表题为“Spatial transcriptome uncovers rich coordination of metabolism in E. coli K12 biofilm”的研究论文，该研究表明空间转录组揭示了大肠杆菌K12生物膜中丰富的代谢协调。该研究建立了RAINBOW-seq，并以高空间分辨率和高基因覆盖率对大肠杆菌生物膜群落的转录组进行了分析。该研究发现了三种社区水平的协调模式，包括跨区域资源配置、局部循环和反馈信号，它们是由加强跨膜转运和空间特异性代谢激活介导的。这种协调的结果是，群落中营养有限的区域保持了出乎意料的高代谢水平，使其能够表达许多信号基因和具有潜在社会功能的功能未知的基因。总之，该研究提供了对生物膜中代谢相互作用的扩展理解，并提出了一种在系统水平上研究细菌群落中复杂相互作用的新方法。
空间结构的群落，如生物膜，占地球上细菌生物量的大部分，其中细菌细胞彼此密切相关。这种集体生活方式代表了比自由生活的浮游生物更高层次的组织。与许多多细胞系统一样，细菌群落的一个关键特征是空间异质性。特别是，群落中不同区域的细胞往往表现出不同的生理状态。这种空间异质性和衍生的相互作用使复杂的涌现属性成为可能，例如在不同空间尺度上的分工、社区水平上的代谢能力增强以及亚种群之间的协调以解决冲突。这些特性可能为细菌提供生存优势。例如，生物膜对宿主免疫系统和抗生素治疗具有抗性。因此，它们的感染往往是持续性的。组学工具的发展使细菌群落的全基因组表征成为可能。早期研究表明，生物膜表现出与浮游细菌不同的基因表达模式；然而，由于缺乏具有空间分辨率的全基因组活动分析方法，因此没有保留任何空间信息，并且仅以逐个案例的方式处理空间特异性属性。最近，一个值得注意的发展是par-seqFISH方法，该方法允许在单个细菌中的转录本的原位可视化和量化。它的单细胞分辨率在探测局部异质性方面尤其优越。然而，在给出的例子中，只有~5%的铜绿假单胞菌基因被分析；此外，对高分辨率单细胞成像的严重依赖限制了其分析细菌群落深处的能力，这一点很重要，因为细菌群落的许多有趣行为都是在大空间尺度上发生的突发事件。在另外两项使用激光捕获显微切割的研究中避免了这些限制。其他两项研究避免了这些限制，它们使用激光捕获显微切割和氧依赖性荧光蛋白成熟来分离不同的生物膜区域以进行大量RNA测序（RNA-seq）。但这些研究的空间分辨率有限（每个生物膜只有两到三个片段）。
RAINBOW-seq的开发和验证（图源自Nature Chemical Biology ）该研究开发了RAINBOW-seq作为探测工具，并专注于大肠杆菌生物膜中代谢的协调。该研究发现代谢物的广泛交换，包括跨区域资源分配、反馈信号和局部循环。这些过程是通过跨膜转运的空间特异性激活实现的，并通过空间协调的细胞内代谢得到加强。精氨酸、多胺和核苷酸等代谢物积极参与这些过程。即使在这样一个简化的同基因细菌群落中，空间结构中也出现了加强和协调的代谢相互作用。总之，该研究揭示了细菌群体内空间交互的复杂性和多样性，深化了对细菌生理特性的理解。同时，该研究还提出了研究细菌的新模式，即通过系统分析基因表达的空间异质性揭示细菌的群体特性。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-023-01282-w
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