นักวิทยาศาสตร์ค้นพบสิ่งมหัศจรรย์ในแบคทีเรียขยาย 1,000 เท่า

ด้วยการรวมเทคนิคการถ่ายภาพ MERFISH เข้ากับกล้องจุลทรรศน์ขยาย นักวิทยาศาสตร์ได้เปิดวิธีใหม่ในการศึกษาแบคทีเรียในระดับเซลล์เดี่ยว ความสำเร็จใหม่นี้ช่วยให้สามารถสังเกตได้เจาะลึกมากขึ้นว่าแบคทีเรียกระตุ้นยีนประเภทต่างๆ เพื่อตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมได้อย่างไร ซึ่งจะทำให้เข้าใจพฤติกรรมของแบคทีเรีย การดื้อยาปฏิชีวนะ และกลยุทธ์การติดเชื้อ

แบคทีเรียทำงานอย่างไร

แบคทีเรีย – ไม่ว่าจะเป็นแบคทีเรียที่มีประโยชน์ในร่างกายของเราหรือแบคทีเรียสายพันธุ์อันตรายที่ทำให้เกิดโรค – ประสานงานกิจกรรมของพวกมันอย่างไร? การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ ด้วยการผสมผสานกล้องจุลทรรศน์จีโนมขั้นสูงกับเทคนิคล้ำสมัยในการติดตามยีนที่แบคทีเรียเปิดใช้งานภายใต้เงื่อนไขและสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน ความก้าวหน้าครั้งนี้ซึ่งตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Science คาดว่าจะทำให้การวิจัยแบคทีเรียพัฒนาไปสู่ระดับใหม่

ดร. เจฟฟรีย์ มอฟฟิตต์ และเพื่อนร่วมงานจากโครงการเวชศาสตร์เซลล์และโมเลกุล (PCMM) ที่โรงพยาบาลเด็กบอสตัน (สหรัฐอเมริกา) ใช้ MERFISH ซึ่งเป็นเทคนิคการถ่ายภาพโมเลกุลที่มอฟฟิตต์ช่วยพัฒนา เพื่อวิเคราะห์ RNA ผู้ส่งสาร (mRNA) ในตัวอย่างแบคทีเรียแต่ละตัวหลายพันตัวอย่างในคราวเดียว วิธีนี้ไม่เพียงแต่ทำการแมปการแสดงออกของยีนในขนาดใหญ่เท่านั้น แต่ยังเผยให้เห็นด้วยว่าปัจจัยเชิงพื้นที่มีอิทธิพลต่อการกระตุ้นยีนแบคทีเรียอย่างไร ซึ่งไม่เคยมีการทำมาก่อน

ความท้าทายในการถ่ายภาพแบคทีเรีย

อย่างไรก็ตาม ก่อนอื่น ทีมงานต้องเอาชนะความท้าทายสำคัญประการหนึ่ง นั่นคือ RNA ของแบคทีเรีย ซึ่งเรียกว่าทรานสคริปโทมของแบคทีเรีย จะถูกอัดแน่นอยู่ภายในเซลล์ขนาดเล็ก ทำให้ยากต่อการแยกแยะและสร้างภาพ

ทีมวิจัยได้นำเทคนิคที่พัฒนาในห้องแล็ปที่เรียกว่า “กล้องจุลทรรศน์ขยายตัว” มาฝังตัวอย่างลงในไฮโดรเจลชนิดพิเศษ พวกเขาทำให้ RNA เคลื่อนที่อยู่ในเจลและเปลี่ยนสารละลายบัฟเฟอร์ทางเคมีในนั้น ส่งผลให้เจลขยายตัว ทำให้ขนาดตัวอย่างเพิ่มขึ้น 50 ถึง 1,000 เท่า เมื่อถึงจุดนี้ RNA ของแบคทีเรียทั้งหมดจะสามารถย่อยได้ทีละตัว

การแสดงออกของยีนแบคทีเรียหมายถึงอะไร?

จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์วัดพฤติกรรมของแบคทีเรียโดยทั่วไปโดยใช้ค่าเฉลี่ยจากประชากรแบคทีเรียทั้งหมด ความสามารถในการระบุยีนที่แบคทีเรียแต่ละตัวใช้สามารถทำให้เกิดข้อมูลเชิงลึกอันทรงพลังใหม่ๆ เกี่ยวกับการโต้ตอบของแบคทีเรีย ความรุนแรง การตอบสนองต่อความเครียด การดื้อต่อยาปฏิชีวนะ การก่อตัวของไบโอฟิล์ม เช่น ในสายสวน และอื่นๆ อีกมากมาย

“ตอนนี้เรามีเครื่องมือในการตอบคำถามที่น่าสนใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์-จุลินทรีย์ และจุลินทรีย์-จุลินทรีย์” Moffitt กล่าว “เราสามารถสำรวจว่าแบคทีเรียสื่อสารและแข่งขันกันเพื่อตำแหน่งในเชิงพื้นที่ได้อย่างไร และกำหนดโครงสร้างของชุมชนแบคทีเรีย และเราสามารถถามได้ว่าแบคทีเรียก่อโรคควบคุมการแสดงออกของยีนอย่างไรเมื่อพวกมันติดเชื้อในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม”

Bacterial-MERFISH ยังสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับแบคทีเรียที่เจริญเติบโตได้ยากในจานเพาะเชื้อได้อีกด้วย ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ไม่จำเป็นต้องปลูกพวกมันอีกต่อไป แต่สามารถถ่ายภาพพวกมันในสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติแทนได้

ข้อมูลเชิงลึกในระดับเซลล์เดี่ยวเกี่ยวกับกลยุทธ์การเอาชีวิตรอดของแบคทีเรีย

การทดลองบางส่วนที่ทีมได้ดำเนินการแสดงให้เห็นถึงประเภทของคำถามที่แบคทีเรีย-MERFISH สามารถตอบได้ ตัวอย่างเช่น Moffitt และเพื่อนร่วมงานสามารถสาธิตให้เห็นว่าเซลล์ E. coli แต่ละเซลล์ เมื่อขาดกลูโคส จะพยายามใช้แหล่งอาหารทางเลือกตามลำดับ โดยเปลี่ยนการแสดงออกของยีนในลำดับที่เฉพาะเจาะจง ด้วยการถ่ายภาพยีนชุดหนึ่งในช่วงเวลาหนึ่ง ทีมจึงสามารถรวบรวมกลยุทธ์การเอาชีวิตรอดนี้เข้าด้วยกันได้

ทีมยังได้รับข้อมูลเกี่ยวกับวิธีที่แบคทีเรียจัดระเบียบ RNA ภายในเซลล์ ซึ่งอาจมีความสำคัญในการควบคุมการแสดงออกของยีนในด้านต่างๆ ก่อนหน้านี้การรับมือกับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นเรื่องยากมาก แต่ตอนนี้ งานนี้ง่ายขึ้นมาก