磨刀不误砍柴工！9文聚焦菌群研究方法学前沿 | 热心肠日报
今天是第2147期日报。
苏州大学Nature子刊：让细菌“吃掉”纳米探针，实现成像/杀菌双功能
Nature Communications[IF:14.919]
① 将葡萄糖聚合物（GP）、光敏剂Ce6和NHS-二嗪先后修饰到金纳米颗粒（AuNP）表面获得纳米探针GP-dAuNPs@Ce6；② 405nm光照下，表面二嗪类化合物转化为易形成共价键的碳烯结构，从而形成聚集物；③ 细菌ABC转运体识别GP并吸收探针；④ 在小鼠实验中，注射探针并光活化后，细菌感染部位观察到细菌聚集；⑤ 该方法有效应用于肿瘤和肠道部位的细菌成像；⑥ 通过660nm激光诱导Ce6产生单线态氧，808nm激光触发AuNP产热，在短期治疗中杀菌效率可达95.0% 。
Bacteria eat nanoprobes for aggregation-enhanced imaging and killing diverse microorganisms
03-10, doi: 10.1038/s41467-022-28920-6
【主编评语】哺乳动物微生物群落可以感知人体内部或外部场景的变化，从而反映人类健康水平，甚至引发多种疾病。为了深入了解微生物群落以及准确控制基于细菌的治疗或诊断方法，在宿主体内精确地成像微生物位置是非常重要的。然而，现有的活体细菌定位成像方法主要基于光学报告基因、有机染料或纳米探针，对于深部组织来说，其成像效果会因低成像深度和高光散射组织而大大减弱。此外，大多数显像剂仅对一类特定细菌有效，即革兰氏阴性或革兰氏阳性细菌，这会不可避免地丢失其他细菌的信息。苏州大学何耀教授、王后禹副研究员等人发表在Nature Communications上的一项研究提出了一种新型策略用于同时实现体内细菌的灵敏成像和杀菌功能，为探测微生物种群的体内位置并对其进行治疗提供了一种简便有效的思路。（@EADGBE）
化学选择性探针助力菌群和人体代谢物鉴定
Angewandte Chemie International Edition[IF:15.336]
① 构建修饰在磁珠上的化学选择性探针1和C12或C13稳定同位素标记类似物，通过质量差可实现对两组样品直接UPLC-MS质谱比较；② 通过对尿液样本进行三次独立重复试验验证该技术平行性及可重复性，效果较好；③ 使用标准代谢物检测该技术检测限，发现其可同时进行飞摩尔和埃摩尔的半定量检测；④ 可同时检测人的粪便、尿液和血浆样品中的200多种代谢物，并量化了之前未发现的代谢物；⑤ 该全面质谱分析扩大了代谢组学驱动的生物标志物发现的范围。
Chemoselective and highly sensitive quantification of gut microbiome and human metabolites
2021-08-02, doi: 10.1002/anie.202107101
【主编评语】肠道菌群代谢产生多种代谢物影响宿主生理和健康，羰基类化合物便是其中很常见的一种。但是，羰基类化合物很难被离子化，进而难以被检测。本文利用化学选择性探针对羰基类代谢物进行修饰，使其能够利用UPLC-MS进行检测，从而解决了这一难题。以此为例，文章认为化学生物探针可在菌群与机体互作研究中有更广泛和更深入的应用。（@Bingbing）
如何实现肠道厌氧菌的靶向分选？
Microbiome[IF:14.65]
① 在流式细胞仪分选区域加装手套箱，填充氮气消除内部氧气，从而维持厌氧环境；② 设计抗极端氧敏感Faecalibacterium prausnitzii和Christensenella minuta多克隆抗体，进行厌氧分选培养；③ 发现抗体特异性好，厌氧菌保持活性，且不受荧光染料影响，最终实现靶向分选；④ 对人体粪样进行分选培养发现C. minuta丰度较低，利用细胞大小等特点调节门控，实现不同菌种的分选；⑤ 分选中自发荧光菌与测序的相对丰度不对应，流式细胞术检测阈更敏感。
Species-targeted sorting and cultivation of commensal bacteria from the gut microbiome using flow cytometry under anaerobic conditions
02-03, doi: 10.1186/s40168-021-01206-7
【主编评语】Microbiome上最新发表的文章，旨在通过改良的流式细胞术和细胞分选仪器及方法，检测、分选、分离和培养肠道菌群中的特定共生菌，特别是极端氧敏感和非代表性的细菌，并进行深入的研究。（@solo）
如何在实验室培养人类肠道菌群？（综述）
Annual Review of Microbiology[IF:15.5]
① 宏基因组学、宏蛋白组学、宏代谢组学等技术能检测微生物群落组成和功能；② 模拟肠道衍生生态系统的生物反应器，细胞培养插入系统，器官芯片模型及类器官是有效的体外培养平台；③ 体内培养可选择黑腹果蝇等无脊椎动物模型，小家鼠等脊椎动物模型了解微生物与宿主相互作用；④ 通过检测目标微生物基因组，优化培养基可实现培养特定微生物；⑤ 未来需要将这些微生物组技术与先进的分子工具、微流控技术结合起来，并发展菌群微生态系统。
Culturing Human Gut Microbiomes in the Laboratory
2021-05-26, doi: 10.1146/annurev-micro-031021-084116
【主编评语】Annual Review of Microbiology上发表的一篇综述文章。人类肠道菌群是由众多原核和真核、以及病毒颗粒等组成的复杂群体，其与机体的健康、疾病密切相关。但是，目前的厌氧培养技术并不能实现所有人体肠道菌群的体外培养。本文就针对此问题，讨论了在实验室分离及短暂培养这些人类肠道菌群的平台、技术以及可能性。（@Bingbing）
用类器官技术研究菌群-宿主互作（综述）
Trends in Molecular Medicine[IF:11.951]
① 人类肠道类器官能够模拟起源组织的状态，包括发育和疾病状态；② 类器官可评估微生物对黏膜功能的影响，并建立其在宿主细胞中驱动不同信号通路的作用机制；③ 基于类器官的胃肠道（GI）生物建模平台在不断发展，包括3D类器官、单层类器官等，结合微流控装置可帮助研究宿主-菌群间复杂的相互作用和GI病理生理学的分子机制；④ 类器官技术同样存在很大的局限性；⑤ 后生元正成为益生菌活性的关键效应物，或可用于高危患者。
Organoid technologies for the study of intestinal microbiota–host interactions
02-26, doi: 10.1016/j.molmed.2022.02.001
【主编评语】Trends in Molecular Medicine近期发表综述，讨论了类器官技术在研究菌群-宿主互作方面（特别是后生元和菌群产物）的应用，推荐专业人士关注。（@mildbreeze）
Cell子刊：肠道芯片助力肠道菌群研究（观点）
Trends in Microbiology[IF:17.079]
① 相较于其他体外方法，肠道芯片具有一定优势：能监测微生物的生长以及宿主-微生物组的互作，同时可实时调整和测量生态学上的相关参数（如pH和O2水平）；② 芯片上的肠道微生物可以与其他芯片连接，用于模拟肠道-肝脏、肠道-肺或肠道-脑轴；③ 肠道芯片可用于以下领域研究: (i) 饮食-微生物组和药物-微生物组互作，(ii) 微生物组靶向治疗的药物生态学, (iii) 肠道微生物组和微生物组靶向干预在个性化和处方药框架内的机制研究。
Gut-on-chip for ecological and causal human gut microbiome research
02-18, doi: 10.1016/j.tim.2022.01.014
【主编评语】Trends in Microbiology发表的观点文章，探讨了肠道芯片在肠道微生物组相关研究中的优势及潜在应用研究价值，同时也提出了该技术方法所面临的问题和挑战。（@nana）
Cell子刊：构建体外微生物群落，助力肠道菌群研究
Cell Host and Microbe[IF:21.023]
① 将不同的粪便样本接种到不同的培养基中，构建数百个体外群落（SICs）模型，某些培养基可保留接种样本的菌群组成；② SIC在无菌小鼠中定植后，群落组成保持不变，并促使小鼠建立起接近微生物群来源宿主的蛋白质组和菌群结构；③ 环丙沙星处理过的小鼠粪便来源SIC，增加了对病原体伤寒沙门氏菌侵袭敏感性；④ SIC对环丙沙星的反应，可以预测小鼠体内菌群的组成变化，如拟杆菌属恢复能力的和敏感性。
Establishment and characterization of stable, diverse, fecal-derived in vitro microbial communities that model the intestinal microbiota
01-19, doi: 10.1016/j.chom.2021.12.008
【主编评语】研究病人来源的细菌群落的系统模型，有助于探究肠道微生物群在疾病中的作用。Cell Host and Microbe发表的文章，通过体外培养不同来源的粪便样本，构建了体外菌落（SICs）。SICs保留了其粪便来源的分类学多样性，再现了微生物群对病原体入侵和抗生素治疗的反应，提示利用SICs可以对肠道微生物群进行低成本、定量和高通量实验研究。（@nana）
液滴微流控实现菌群中靶向菌株的免培养基因组测序
Cell Reports Medicine[IF:N/A]
① 结合液体微流控技术和Taqman特异性探针实现复杂背景下的单菌靶向分选和全基因组测序；② 该方法可以实现粪便样本中预混的枯草芽孢杆菌的识别分选；③ 通过链霉亲和素磁珠去除扩增子，使用不同比例预混细菌纯培养物证明该方法可获得高纯度无偏好的测序数据；④ 该方法可富集目标菌，约4000个分选细胞即可产生均匀覆盖参考基因组的足量reads；⑤ 使用该方法对粪便内源性普通拟杆菌分选测序，获得两个同种不同株的组装基因组。
Enrichment of gut microbiome strains for cultivation-free genome sequencing using droplet microfluidics
2021-12-24, doi: 10.1016/j.crmeth.2021.100137
【主编评语】这是发表在Cell Reports Methods上的一份工作。作者通过结合液体微流控技术和Taqman特异性探针实现目标菌的靶向标记识别及分选，结合磁性亲和素链霉亲和素磁珠去除扩增子，获得高纯度无偏差的测序数据。该方法可避免难培养微生物的培养过程，从而从复杂背景中直接获得目标菌的基因组测序数据，为微生物组原位分析和功能挖掘提供了技术基础。（@Johnson）
Nature子刊：宏基因组组装基因组实现谱系解析
Nature Microbiology[IF:17.745]
① 以单个谱系的分辨率理解宏基因组数据是宏基因组学的一个重要目标，然而在菌群中识别或恢复菌株特异性谱系非常困难；② Bickhart 等人介绍了 MAGPhase方法，其结合HiFi长读长测序，使其错误率低于其他长读长测序方法，并基于序列的Hi-C图谱进行分箱以生成高质量的初始组装；③ 这项技术为宏基因组学领域提供了一套探索生态进化压力的方法，这些压力塑造了菌群；④ Bickhart 等人取得的进展使该领域从概念化某些挑战转向解决它们。
MAGs achieve lineage resolution
01-03, doi: 10.1038/s41564-021-01027-2
【主编评语】通过宏基因组测序对微生物基因组进行谱系或菌株解析重建一直是一个重要但难以实现的目标,本文评述了Bickhart 等人通过结合使用 HiFi 测序、Hi-C 分箱和计算定相方法来解析基因组分箱，从被测序的绵羊粪便样本中产生数百个谱系解析基因组，朝着这一目标迈出了一大步,其介绍了 MAGPhase，这是一种改编自转录本异构体分析的定相方法，该方法使用单核苷酸多态性和测序深度来产生谱系解析的 MAGs，其提出了令人信服的证据，证明这些确实是单独的谱系，包括读长深度覆盖图和对装配图的仔细检查，还证明，与其他宏基因组方法相比，该技术在组装生物合成基因簇方面具有更高的预测能力，以及重建宿主-质粒关联的能力。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）
感谢本期日报的创作者：EADGBE，Johnson，fang fang，大力，nana，药农，刘永鑫-中科院-宏基因组
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