微生物代謝的原位拉曼可視化定量分析成功實現

記者21日從中科院海洋研究所獲悉，該所研究員張鑫課題組和孫超岷課題組共同合作，基于共聚焦顯微拉曼技術，通過三維定量成像實現了長期、近實時、非破壞性的微生物監測，對微生物生長和代謝情況進行可視化及定量分析，為未來分析微生物原位生物過程提供了新思路。研究成果近日發表于《微生物學譜》上。

記者了解到，張鑫課題組在之前的工作中，觀測到我國南海冷泉環境中單質硫含量豐富。隨后，孫超岷課題組發現了冷泉細菌Erythrobacter flavus 21-3可以高效氧化硫代硫酸鈉生成單質硫，張鑫課題組通過拉曼光譜鑒定后發現單質硫結構為環狀S8，研究成果發表在生物學領域權威期刊《國際微生物生態學會雜志》。

后續兩個課題組合作將E. flavus 21-3及其突變株布放到深海冷泉噴口附近進行原位培養，證實該菌株在深海原位環境中也能形成硫單質，相關成果發表在國際生物學期刊《微生物學》，為解釋我國南海冷泉噴口廣泛分布硫單質的成因提供了重要理論依據。

由此可見，微生物是深海硫形成和循環的重要貢獻者，其介導的硫代謝的研究對于了解深海硫循環至關重要。

然而，由于深海環境極端復雜，采樣困難、微生物難于分離培養等因素，以及缺少對硫元素的形成的近實時無損的監測方法，深海微生物的原位探測面臨巨大挑戰。目前，主要通過經典的生物和化學方法研究硫元素的生成過程，例如X射線吸收近邊結構、高效液相色譜、透射電子顯微鏡、離子色譜法或化學計量法等。

但是，這些方法主要通過取樣來獲知特定時間點的微生物代謝情況，不能在不破壞樣品的前提下連續監測其在時間尺度上的代謝過程；并且，其中一些方法樣品制備復雜，會破壞細胞的原位真實性；也可能會出現取樣不均勻及污染的情況，導致難以實現連續的原位觀察。因此，亟需新的方法突破此瓶頸。

共聚焦顯微拉曼三維成像技術擁有低成本、快速、無標簽和無破壞性的優勢，具有將定性、定量和可視化完美結合的潛力，為我們解決相關問題提供了新的思路。

因此，為證明此技術的潛力，研究團隊構建了一套固態基底上微生物群落拉曼三維定量原位分析方法，將光學可視化與拉曼定量分析相結合，可在時間和空間兩個維度上無損定量表征微生物群落代謝過程。該技術已成功應用到深海冷泉細菌E. flavus 21-3硫代謝過程的原位監測。

據介紹，基于拉曼三維成像進行體積計算和比率分析，課題組對不同環境下的菌落生長和代謝進行了量化，發現了生長和代謝方面不為人知的細節，為厘清深海冷泉生物群落中廣泛分布的硫單質成因提供了重要技術支持。

“據我們所知，這是首次嘗試長期監測菌落在固體培養基中生長的原位無損技術。我們能夠快速確定代謝產物，推斷反應發生的途徑，并快速篩選產硫細菌。由于這一成功的應用，不僅證明了該方法在未來對微生物原位過程的可視化及定量分析的潛力，也為研究深海中附著在巖石沉積物等固體表面上的微生物提供了新的思路。”張鑫對《中國科學報》表示。

該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院A類戰略性先導專項、中國科學院海洋大科學研究中心重點部署項目、泰山青年學者計劃等項目聯合資助。