微生物学前沿:研究人员开发了一种新方法来识别和表征持久性细菌

持续体可以在致死浓度环境下存活，停药后恢复生长繁殖，是慢性感染和感染复发的重要原因，但其代谢特征难以捉摸。最近，中国科学院青岛生物能源与过程研究所与香港大学合作，开发了单细胞拉曼光谱技术，以单细胞精度揭示了剩余细菌的代谢特征。相关研究成果发表在《微生物学前沿》(微生物学前沿)。

持久性是微生物世界的普遍现象。在抗生素或其他环境条件的胁迫下，微生物群落中极少数成员会进入休眠状态，停止生长，但保留一定的代谢活性，从而在极端环境胁迫下存活下来。抗生素使用过程中产生的持久性细菌，往往在治疗过程中成为漏网之鱼，停药后会恢复生长繁殖，导致感染复发和慢性感染。在临床抗感染药物和药物开发中，如何鉴定和表征残留细菌是业界关注的关键问题。

单细胞的拉曼光谱可以表征细胞的关键代谢功能，如底物代谢、产物合成、药物敏感性和环境应激反应。研究团队通过单细胞拉曼光谱分析了大肠杆菌细胞群体在氨苄青霉素(临床常用的广谱抗生素)作用下的应激反应，发现滞留大肠杆菌有三个特征：一是药物刺激后和早期恢复过程中，与同期非滞留大肠杆菌(非滞留状态)相比，滞留大肠杆菌的单细胞拉曼光谱全谱有显著差异，有助于识别滞留状态的细菌。其次，基于重水饲养的单细胞拉曼光谱，通过监测抗生素在细菌菌落应激中的代谢活性变化，发现在药物应激的总8小时中，药物处理4小时后，持久性细菌的代谢活性显著高于同期非持久性细胞(无药物刺激)。宿存菌细胞内脂类、多糖和大部分与蛋白质相关的拉曼信号(除酰胺外)增强，表明宿存菌比同期非宿存菌积累更多的储能物质。这些细菌细胞的核酸含量明显下降，表明尽管它们具有高代谢活性，但细菌进入分裂周期的过程被显著抑制。再次，通过人工模拟一个完整的抗生素给药过程(药物处理4小时，停药后培养4小时)，发现停药后4小时内，即恢复初期，持续菌始终保持恒定的代谢率。但代谢率明显低于对照组(持续用药)的持续菌和同期非持续细胞(未治疗)。下一步，该研究将深入探索恢复阶段剩余细菌的这些代谢特征的分子机制。

上述结果有助于探索微生物滞留和回收的机理，并为滞留菌诊断技术的进一步发展提供了重要线索。结合单细胞研究中心开发的临床单细胞拉曼药敏测试仪(CAST-R)和单细胞拉曼分选-测序-培养系统(RACS-Seq/Culture)，该合作团队将进一步开发新方法，深化细菌-药物相互作用机制的研究，为临床抗生素使用提供科学依据。

本研究得到了中科院战略性先导科技项目、国家重大研究仪器研制项目、中科院STS计划区域重点项目、香港研究资助局和香港大学明德讲座基金的资助。

单细胞拉曼光谱可以找出剩余的细菌，并以单细胞精度揭示它们的代谢特征。