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抗生素抗性是指細菌對某種抗生素如氨芐青霉素，四環(huán)素等的抵抗作用。某些質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子可攜帶特定的抗性基因，敏感菌獲得這些質(zhì)粒即轉(zhuǎn)化為抗性菌。大量研究發(fā)現(xiàn)，畜禽糞便中含有高度富集的抗生素抗性基因，這些糞便會對養(yǎng)殖區(qū)域及周圍環(huán)境造成潛在的抗性基因污染?？剐曰蜻€會通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合的途徑進入其他環(huán)境細菌和致病菌中，對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成潛在的威脅。

探討抗性的進化過程對遏制其全球傳播至關(guān)重要。抗性進化過程涉及高度復(fù)雜的表型異質(zhì)性響應(yīng)。在抗生素處理下，基因完全相同的微生物菌群中會出現(xiàn)小部分可耐受抗生素的細胞亞群。該存活的亞群在抗生素存在時不能生長，但在去除抗生素后可恢復(fù)生長，造成長期復(fù)發(fā)性感染，也是后續(xù)發(fā)生抗性基因突變的關(guān)鍵儲庫。然而，由于耐受亞群的復(fù)雜異質(zhì)性響應(yīng)且生長停滯，從大量細菌群體中識別耐受亞群并追蹤其生理進化軌跡仍是挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所朱永官院士團隊與崔麗研究組通過發(fā)展單細胞拉曼-氘標同位素-多元統(tǒng)計分析等多種技術(shù)聯(lián)用的方法，在單細胞的高精度水平原位解析了細菌響應(yīng)的異質(zhì)性，并從大量細菌群體中靈敏識別出表型亞群的分化及動態(tài)變化，實現(xiàn)了抗性突變前細菌表型生理軌跡的快速原位追蹤，為遏制抗性進化提供重要指導(dǎo)。

研究利用重水標記的單細胞拉曼光譜以不依賴培養(yǎng)的方式，檢測進化過程中細菌的原位活性。基于單細胞拉曼所揭示的細菌原位表型異質(zhì)性響應(yīng)，科研人員繪制出抗性進化的生理軌跡圖。細菌全基因組測序?qū)λ沂镜谋硇瓦M行交互驗證，并解析了表型產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)。表型分化對維持整個菌群的生存和進化至關(guān)重要。由于表型分化遠早于抗性突變，識別表型分化對指導(dǎo)臨床用藥以及減少抗生素耐受性和抗性突變的發(fā)生具有重要意義。研究利用明顯區(qū)分的四個亞群的拉曼圖譜，挖掘出耐受性和抗性突變的拉曼標記峰，促進了抗性進化不同階段尤其是表型耐受性的快速精準識別。

該單細胞分析平臺可以拓展到更廣泛的抗生素或非抗生素化學(xué)品誘導(dǎo)的抗性進化研究。未來可以將該單細胞拉曼與靶向單細胞分選和多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用，實現(xiàn)耐受性和抗性表型與基因型的精確關(guān)聯(lián)，促進進一步闡釋進化機制。

相關(guān)論文An Isotope-Labeled Single-Cell Raman Spectroscopy Approach for Tracking the Physiological Evolution Trajectory of Bacteria toward Antibiotic Resistance于近日發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》

資料來源： 城市環(huán)境研究所

關(guān)鍵詞： 抗性基因 城市環(huán)境 至關(guān)重要