[所屬分類:行業(yè)動(dòng)態(tài)] [發(fā)布時(shí)間:2025-9-28] [發(fā)布人:楊曉燕] [閱讀次數(shù):] [返回]

“生長(zhǎng)曲線”當(dāng)指揮：難養(yǎng)微生物也能唱“獨(dú)角戲
作者：李晨  來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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在地球的深海熱泉、濕地，或者動(dòng)物腸道和沉積物等環(huán)境中，生活著一群“無(wú)氧居民”——厭氧微生物。他們能分解有機(jī)廢物、產(chǎn)生甲烷等可再生能源，還能參與溫室氣體的生成和消減——從污水處理廠到畜禽養(yǎng)殖、從沼氣利用到腸道健康，都離不開(kāi)它們。
然而，人類想要分離得到有益的厭氧微生物，卻很困難——它們異常難養(yǎng)。
近日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱沼科所）厭氧微生物創(chuàng)新團(tuán)聯(lián)合荷蘭瓦赫寧根大學(xué)團(tuán)隊(duì)找到了新的辦法。他們利用厭氧微生物的生長(zhǎng)曲線當(dāng)“指揮棒”，利用自創(chuàng)的“雞尾酒法”定向分離產(chǎn)甲烷古菌。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《微生物趨勢(shì)》（Trends in Microbiology）和《自然—試驗(yàn)流程》（Nature Protocols）。
唯厭氧微生物難養(yǎng)也
雖然我們不能用肉眼看見(jiàn)它們，但厭氧微生物是全球碳、氮、硫循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)者，它們與人類的關(guān)系非常密切。
論文第一作者、沼科所在讀博士生巫可佳告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這些“無(wú)氧居民”對(duì)生活條件要求極高——一點(diǎn)氧氣都不能碰，常常需要特定的溫度、酸堿度、營(yíng)養(yǎng)條件才能進(jìn)行生長(zhǎng)和生存。
它們大多生活在濕地、深海、腸道、熱泉等地下缺氧環(huán)境中，無(wú)法脫離地下缺氧環(huán)境，就好像一群“隱居高手”。生長(zhǎng)緩慢、數(shù)量不多，有些還離不開(kāi)特定“伙伴”。這些厭氧菌需要與其他微生物互相交換營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物，通過(guò)共培養(yǎng)或者共生才能生存，就像“搭檔關(guān)系”，缺了對(duì)方就活不下去。
這種生存方式使得它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境中非常難以存活，一旦被請(qǐng)進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，就常常悄然消失。
如果想要把它們培養(yǎng)成純菌狀態(tài)，就更難了。
論文通訊作者、沼科所研究員承磊在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，獲得純培養(yǎng)物，是研究新型微生物的生理功能、代謝功能、生態(tài)功能的資源基礎(chǔ)，以及如何利用它們?cè)谇鍧嵞茉瓷�產(chǎn)、污染治理、健康等方面的能力。
傳統(tǒng)的分離方法像是舉辦一場(chǎng)“短跑賽”，要求目標(biāo)厭氧菌一開(kāi)始就具備絕對(duì)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，一步到位打敗所有競(jìng)爭(zhēng)者，這讓許多“慢熱型選手”始終無(wú)緣亮相。
承磊解釋說(shuō)，這是因?yàn)閰捬蹙�通常生長(zhǎng)慢，生長(zhǎng)條件苛刻，容易被“快生長(zhǎng)”的非目標(biāo)菌淹沒(méi)。
2016年，承磊團(tuán)隊(duì)著手從一份2007年取自我國(guó)勝利油田的樣本中分離產(chǎn)甲烷古菌，由于這份樣本對(duì)“投喂”的甲醇異常敏感，并且能產(chǎn)生甲烷。承磊團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這里面可能隱藏著新的產(chǎn)甲烷古菌的生存模式。
但是要想搞清楚這里面的厭氧古菌究竟如何產(chǎn)生甲烷，首先要把它從成分復(fù)雜的樣本中分離出來(lái)。然而，究竟如何讓如此難養(yǎng)的厭氧微生物在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中生存并分離？這成為他們迫切想解決的難題。
生長(zhǎng)曲線當(dāng)“指揮棒”
傳統(tǒng)方法解決不了他們的問(wèn)題。只能自己想辦法。
“我們?cè)诙嗄攴蛛x實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單一方法往往不夠�！背欣谡f(shuō)，因?yàn)榉蛛x過(guò)程中既要保證目標(biāo)菌的生長(zhǎng)，同時(shí)又要抑制非目標(biāo)菌，而一個(gè)樣品中的非目標(biāo)菌是多種多樣的，通常單一的方法很難去除復(fù)雜的目標(biāo)菌，因此需要靈活組合多種“配方”——稀釋、限制養(yǎng)料、加抑制劑……像調(diào)制雞尾酒一樣，根據(jù)情況調(diào)整分離策略來(lái)逐步去除不同的非目標(biāo)菌。
巫可佳說(shuō)，通過(guò)定期取樣，用分子生物學(xué)方法或者流式細(xì)胞計(jì)數(shù)等方法監(jiān)測(cè)目標(biāo)菌和其他菌的細(xì)胞數(shù)量變化，按時(shí)間和細(xì)胞數(shù)量變化畫(huà)成生長(zhǎng)曲線。
他們提出用生長(zhǎng)曲線當(dāng)“指揮棒”，實(shí)時(shí)觀察目標(biāo)菌和非目標(biāo)菌的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。在不同階段創(chuàng)造條件，讓目標(biāo)菌占據(jù)“相對(duì)優(yōu)勢(shì)”，或者讓非目標(biāo)菌對(duì)目標(biāo)菌的抑制更輕微，一步步“請(qǐng)走”非目標(biāo)菌，直到目標(biāo)菌能單獨(dú)站上舞臺(tái)。
巫可佳解釋說(shuō)，把難培養(yǎng)微生物的分離過(guò)程為多個(gè)階段——先摸清目標(biāo)微生物的生長(zhǎng)“喜好”，再通過(guò)稀釋、限制養(yǎng)料、精準(zhǔn)抑制等手段逐步減少“陪客”，最后只留下目標(biāo)微生物�！斑@套方法的特別之處在于，不要求目標(biāo)菌一開(kāi)始就跑得最快，而是通過(guò)階段性調(diào)整，讓它在不同‘賽段’中都能保持相對(duì)優(yōu)勢(shì)�！�
針對(duì)不同類型的非目標(biāo)菌，他們有不同“招數(shù)”：有的改變營(yíng)養(yǎng)條件（底物、生長(zhǎng)刺激因子），有的改變物理化學(xué)因子（溫度、pH、鹽濃度等）或者梯度稀釋，有的加抗生素或溶菌酶抑制非目標(biāo)菌。
“我們第一次用多年摸索的方法成功分離到非廣古菌門(mén)的新型產(chǎn)甲烷古菌，并通過(guò)分離獲得的菌株解析其生理和代謝機(jī)制�！背欣谒�說(shuō)的這項(xiàng)工作成果2024年7月發(fā)表在《自然》雜志。
后來(lái)，他們總結(jié)和提煉了該團(tuán)隊(duì)十多年厭氧微生物分離經(jīng)驗(yàn)，形成了“基于生長(zhǎng)曲線”和“相對(duì)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)”的微生物純培養(yǎng)理念。
基于底層邏輯的分離方法
“很開(kāi)心能用這套方法挖掘出新型的產(chǎn)甲烷古菌�！蔽卓杉颜f(shuō)，這是基于分離微生物的底層邏輯入手的——如何從一個(gè)復(fù)雜的群落中獲得目標(biāo)菌。一個(gè)底層的理念可以適用于微生物生長(zhǎng)分離的各個(gè)階段，不僅適用于厭氧微生物，同時(shí)也適用于好養(yǎng)、兼性厭氧等微生物的分離�！捌谕�未��(lái)可以幫助到更多的微生物資源的分離�！蔽卓杉颜f(shuō)。
承磊強(qiáng)調(diào)，此方法的建立受益于測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，這使得人們可以鑒定復(fù)雜群落中的目標(biāo)菌和非目標(biāo)菌，以達(dá)到分離的目的。
《微生物趨勢(shì)》論文審稿人說(shuō)，這篇論文關(guān)注了一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)被系統(tǒng)性忽視的重要主題。科學(xué)界普遍存在偏見(jiàn)，導(dǎo)致大家逐漸形成一種共識(shí)：所謂“不可培養(yǎng)”的微生物，是真的無(wú)法被培養(yǎng)，或者說(shuō)付出的努力代價(jià)太大，以至于不值得去嘗試�！安豢膳囵B(yǎng)”這個(gè)說(shuō)法本身，就暗示了不可能性，從而加劇了這種不幸的局面。
“雖然宏基因組學(xué)在發(fā)現(xiàn)新型微生物方面非常有用，但它在一定程度上也削弱了科學(xué)家們繼續(xù)開(kāi)展更費(fèi)時(shí)、更具智力挑戰(zhàn)性的分離培養(yǎng)研究的動(dòng)力。更為遺憾的是，學(xué)界并沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到宏基因組信息與分離培養(yǎng)株生理學(xué)之間存在的巨大理解鴻溝�！睂徃迦苏f(shuō)，這篇論文引起了大家對(duì)這些不足的關(guān)注，更重要的是，提出了切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)思路來(lái)彌補(bǔ)這些缺陷。這是一項(xiàng)“極有價(jià)值、恰逢其時(shí)、姍姍來(lái)遲的重要貢獻(xiàn)”。
而《《自然—試驗(yàn)流程》》審稿人評(píng)價(jià)，這項(xiàng)研究提出的“生長(zhǎng)曲線引導(dǎo)分離”方法非常有趣，為難以培養(yǎng)的古菌分離提供了新的視角。
承磊說(shuō)，如今，這套方法不僅適用于產(chǎn)甲烷古菌，還能推廣到熱泉、深海、動(dòng)物腸道等多種缺氧環(huán)境微生物的分離培養(yǎng)。他們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)從熱泉和油藏等特殊環(huán)境分離了多株難培養(yǎng)微生物。
承磊希望它成為難養(yǎng)厭氧微生物分離的通用策略，還可結(jié)合人工智能和高通量平臺(tái)進(jìn)行微生物的大規(guī)模高效定向分離，幫助科學(xué)界“解鎖”更多隱藏在自然界的微生物角色，豐富人們對(duì)地球生命的認(rèn)識(shí)，為氣候研究、能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)等研究提供新菌種資源。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41596-025-01224-x
https://doi.org/10.1016/j.tim.2025.06.006
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