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質譜新應用：“竊聽”微生物分子之間的“交談”
[導讀] 同時，上個月美國白宮科學技術政策辦公室公布的，投資5.21億美元的國家微生物組計劃(National Microbiome Initiative)中的部分研究目標，也可通過這項技術直接實現。該計劃公布時，德利斯特恩也在現場。
除了一張跑步機辦公桌，皮特·德利斯特恩(Pieter Dorrestein)在加利福尼亞大學圣迭戈分校(UCSD)的辦公室并沒有什么特別：一張圓形工作臺周圍擺滿了椅子，書架上滿是期刊、論文和書籍，還有許多表彰他個人及其工作的獎章。
但一旦他開始給來訪者演示他的工作，一切突然就變得神奇了起來。他在電腦上打開一份3D的空間展示畫面：畫面中有四個人圍坐在桌子旁，其中一個就是德利斯特恩本人——他們看起來就像是被濺上了顏色鮮亮的油漆。為了制作這個畫面，研究人員將房間的每個平面，甚至包括屋子里的人用棉簽擦拭了幾百次，然后用質譜技術分析棉簽來鑒定其中的化學物質。
這幅畫面揭示了許多關于這個空間和空間里的人的信息。德利斯特恩的兩名同事是重度咖啡飲者：在他們的手上和臉上檢測到了咖啡yin的斑點，同時在地板上也有相當大的一塊斑點，那是一片之前殘留的咖啡漬。德利斯特恩不喝咖啡，但也在四處留下了蹤跡——既有個人護理用品，也有他根本都不記得自己用過的普通甜味劑。他很驚訝，他觸碰過的許多地方甚至發現了驅蟲劑避蚊胺(DEET)，但他至少六個月沒有用過這種化學物質了。
畫面里也有辦公室其他生物的蹤跡，比如寄居在人體皮膚上的微生物。德利斯特恩曾用質譜技術觀察過這些微生物產生的小分子代謝產物，得到了關于微生物如何形成群落并與其他微生物、人類寄主以及它們寄居的環境互相作用的詳細圖象。
他分析了來自植物、海水、偏遠部落以及人類患病肺部等的微生物群落，想要發現這些化學物質之間的交流方式：它們是怎樣告知彼此某個地方是否適合寄居，又是如何為了領地而戰斗的呢?這項工作可以鑒定出先前未知的微生物及它們產生的有用物質，比如說抗生素。
“這項研究的應用十分廣泛，”加利福尼亞大學舊金山分校(UCSD)格萊斯頓研究所的比較基因組學專家凱蒂·波拉德(Katie Pollard)評論道。由于許多微生物都無法直接培養和研究，所以這些原位(in situ)檢測方式的出現影響重大。”同時，上個月美國白宮科學技術政策辦公室公布的，投資5.21億美元的國家微生物組計劃(National Microbiome Initiative)中的部分研究目標，也可通過這項技術直接實現。該計劃公布時，德利斯特恩也在現場。
在這個快速發展的領域，德利斯特恩仍舊潛心于構建實用工具，以及進行富有成效的合作，這使他分外引人注目。“皮特是真的對此感興趣，并且非常具有創造性。”西北太平洋國家實驗室的生物科學主管珍妮特·揚松(Janet Jansson)說道。她曾于今年四月到訪UCSD，當時德利斯特恩問她，能否擦拭她的一只手用以實驗研究。“我說，‘太好了!可以的!我想要參與到這項研究中來!’”揚松回憶道，“他的研究既有趣又激動人心，所有人都非常愿意參與進來。”
攀巖時做出的人生選擇
德利斯特恩成長于新西蘭。16歲時他到美國亞利桑那州的圖森走親戚，在那里迷上了攀巖這項運動。由于自己家鄉地形平坦，根本沒有攀巖的場地，他申請到位于弗拉格斯塔夫的北亞利桑那大學讀書——這里位于亞利桑那、新墨西哥、科羅拉多和猶他四州的交界處，有大量的石山可以攀登。他的專業是地理和化學，可他仍一心撲在攀巖上。但1998年大學畢業后，攀爬加利福尼亞州約塞米蒂國家公園中一面900米高的巖壁的經歷令他開始重新思考人生規劃。
當時他的zui高一處固定點距離頂端的巖石只有50米，他意識到如果自己這時沒抓穩，就會飛速往下掉落100米，直到安全繩索繃緊，把他狠狠砸在花崗巖上。他說，自己當時感到的不是害怕，而寧可說是他的無畏困擾著他。“我當時想，如果我繼續攀巖事業，可能不會有什么好結果，”他回憶道，“所以我用繩索降了下去。”
那天，他開車回到位于弗拉格斯塔夫的家，開始填寫申請研究生的表格。zui后他來到了康奈爾大學研究微生物產生小分子物質(比如維生素B1)的機理。就是在這里，他*次接觸到質譜(mass spectrometry)技術。
通俗地說，質譜技術就是將復雜的分子破碎分離，使其離子化并且測量出碎片分子的質量，從而計算樣品分子組成成分的技術。德利斯特恩就是利用這種像條形碼一樣的質譜技術，為樣品中的每種化學物質創造出各自特異的標記。
德利斯特恩對這項技術深感興趣，因此畢業后來到伊利諾伊大學香檳分校的化學生物學家尼爾·凱萊赫(Neil Kelleher)的實驗室繼續博士后工作。凱萊赫倡導使用“自上而下”的質譜技術，即采用完整的而不是消解過的蛋白質直接放入儀器檢測。利用這種方式，研究人員可以鑒定出蛋白質上的微小修飾，但是過程卻很耗時。德利斯特恩在剛來到伊利諾伊的前兩個月里就發展出一種快捷方式，可以系統地檢驗相當大分子量的酶。“我們將原本以年計數的工作量壓縮到了幾十天內完成。”德利斯特恩說道。他在博士后工作的兩年內zui終聯名發表了17篇論文。“皮特不僅具有創造性，同時又干勁十足，而且能夠用難以置信的能力來完成課題，這簡直太難得了。”凱萊赫評價道。目前凱萊赫在西北大學任職。
2006年，德利斯特恩加入UCSD任職——不過，當該校藥理學院院長帕爾梅·泰勒(Palmer Taylor)簽署了能讓他來做質譜成像的MALDI-TOF-MS(基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜儀)的采購單時，一切才是真正的開始。“這改變了我的整個世界。”他說。
看到微生物間的“軍備競賽”
質譜成像技術不僅能鑒定樣品中分子物質，同時還能提供空間信息。MALDI-TOF利用激光來加熱并電離分子物質，研究人員用激光束掃描2D樣品，可以捕獲樣品中不同分子位置信息的“圖像”。這項技術可應用于鑒定并定位腫瘤切片中的生物標記物，但德利斯特恩感興趣的是微生物，他想要知道能否直接掃描在皮氏培養皿中培養的微生物菌落并鑒定它們的代謝產物。
沒有人做過這種嘗試。德利斯特恩覺得這可能是因為大家都擔心這會污染昂貴的質譜儀——“但是把微生物直接放到儀器里進行檢測也一樣會污染儀器。”所以他做了一個簡單的實驗，讓一名本科生薩拉·魏茨(Sara Weitz)來掃描芽孢桿菌菌落。
這次實驗產生的圖像不是zui漂亮的，但是他們發現這種流程是可行的。他將圖像結果發送給了保羅·斯特雷特(Paul Straight)，一名剛剛入職得州農工大學的微生物學家。“他當時*目瞪口呆。”德利斯特恩說道。兩組科研團隊合作采用質譜成像技術檢測了緊鄰生長的枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和天藍色鏈霉菌(Streptomyces coelicolor)的菌落。通過探索兩種菌落交界處的空間信息，他們鑒定到了這兩種微生物彼此相互競爭所用的分子物質。
德利斯特恩表示，將這場微生物的軍備競賽可視化的過程，令他回想起1928年亞歷山大·弗萊明(Alexander Fleming)從可以殺死細菌的霉菌中分離出青霉素的故事。質譜成像技術可以快速鑒定到這種互作的化學物質，很有可能加速新型抗生素的篩選。
德利斯特恩決定轉移實驗室的工作重心，幾乎專門來研究這些技術方法。他那是還是一名青年研究員，他認識的所有人都不建議他冒這個險。但院長泰勒鼓勵他馬上申請終身教職。“皮特在分析和計算領域潛力非常突出，經常能夠擺脫思維局限性，”泰勒說，“他之前的研究項目都發展得十分迅速。”
觀測不純凈樣本的問題在于，其產生的數據會十分混亂。掃描微生物菌落會產生數以千計的條形碼，但是其中大部分都不知道與什么有關，相當于一堆沒有注釋的信息。“這就好像在昏暗的路燈下看東西，”德利斯特恩說，“人們只能‘看到’之前鑒定過的分子物質，但是絕大多數分子都是未知的。”揚松也認為這是這一領域目前的一個大挑戰：“用質譜儀來分析特征是可行的，但僅憑這些特征仍很難鑒定分子物質是什么。”
為了分析這些龐大的數據，德利斯特恩與UCSD的計算生物學家努諾·班代拉(Nuno Bandeira)合作，根據樣品分子與已知分子的關系將條形碼和分子物質分類，這使得研究人員開始從計算分析的角度預測上千種代謝物的結構和功能。但是目前依然有大量的數據沒有得到注釋：盡管世界范圍內有數千人從事質譜研究工作，但大部分人只對他們感興趣的幾個分子進行了注釋。
因此，2014年起，德利斯特恩與班代拉實驗室的研究生*迅(音，Mingxun Wang)開始嘗試眾包注釋。他們建立了一個，取名為“天然產物分子互作網絡”作為數據庫和數據分析工具，使得研究人員們能夠揭示相關分子物質的關系、將相似分子歸類并比較數據庫。“他建立的這個給這一領域的發展帶來了巨大幫助。”揚松說道。
團隊合作
德利斯特恩成功的關鍵因素之一就是他的合作精神。微生物組DNA及RNA測序專家羅布·奈特(Rob Knight)就和德利斯特恩在同一棟建筑里工作，他們將測序與質譜技術相結合來進行研究。去年，德利斯特恩實驗室的一位博士后阿米娜·布斯利瑪尼(Amina Bouslimani)在一位男性志愿者和一位女性志愿者身上選取400個點進行采樣，并將實驗重復了兩次。一組樣品送往奈特實驗室進行微生物測序，另一組樣品則通過質譜儀來鑒定與微生物共存的天然及人工的化學物質。
實驗要求志愿者在采樣前三天禁止洗澡或使用化妝品，可樣品中仍有上百種微生物的化學特征被美容產品和衛生用品中的化學物質遮蓋掉了。不過研究人員仍舊發現了微生物群落與局部化學物質之間的一致性：比如說，女性陰道部位的細菌就與炎癥分子有關。德利斯特恩表示，這樣的可用來判斷微生物-寄主互作的假說。
布斯利瑪尼目前正在分析來自志愿者手部及手機等個人用品上的樣品。這項目前還未發表的工作顯示，人們會在接觸過的物體上留下*而恒久的化學標記——就像德利斯特恩辦公室的那副圖像一樣。
阿米娜和德利斯特恩認為，這一發現可以在司法科學上有所應用。采自嫌疑人皮膚的樣品可用來分析其化學特征是否與犯罪現場相符。在缺乏DNA或指紋證據的情況下，罪犯留下的化學物質也可以提供生活檔案：他們用過的物品以及身上攜帶的微生物都可以合成畫像。“或許這些化學特征能夠幫助調查者縮小搜查范圍。”布斯利瑪尼說道。
去年，德利斯特恩與紐約大學的微生物學家瑪利亞·多明戈斯-貝略(Maria Dominguez-Bello)等人合作，想要了解人類在不穿戴服飾的情況下皮膚情況及其微生物多樣性。他們從巴西瑪瑙斯、坦桑尼亞哈扎等偏遠部落的居民身上采集了樣品，并將其與采集地點附近非部落居民的樣品相比較。利用德利斯特恩的質譜技術，他們發現部落居民的微生物群落及皮膚化學物質的多樣性要高于生活方式較為現代的非部落居民。德利斯特恩說，目前正在進行的工作也有一些驚人的結果：巴西某一村莊的居民皮膚上具有多種藥物分子，這說明他們與外來者的接觸要比之前預測的多。
德利斯特恩表示，這項技術也可以應用于改善海洋生態環境，或者提高農業效率，以減少溫室氣體排放。提到這些想法時，他整個人身體前傾，表現得十分激動。但問及他下一步將選擇什么樣的研究課題時，他首先提到的還是人類健康。“對我們而言，這是顯而易見又直截了當的——我們首先還是想要幫助病人。”他說。
德利斯特恩與奈特，還有UCSD的成人囊性纖維化門診主任道格·康拉德(Doug Conrad)等人合作發展了快速微生物診斷測試手段。囊性纖維化會引起肺部粘液的堆積，從而受到細菌周期性的感染。這種感染需要抗生素的積極治療——但有時候細菌會產生抗藥性。德利斯特恩及其同事通過分析來自囊性纖維化患者的粘液樣品得到的質譜結果數據，鑒定到了未被標準醫藥技術發現過的微生物群落。
今年剛剛加入德利斯特恩實驗室的博士后路易斯-菲利克斯(Louis-Félix Nothias-Scaglia)目前正在分析牛皮癬患者的皮膚，而牛皮癬通常被認為是免疫系統過度活躍引起的。如果能夠在患者皮膚上發現健康皮膚中不存在的某種細菌產生的分子物質，路易斯-菲利克斯解釋道，那么就有可能用于開發治療或者甚至預防牛皮癬的藥物。這樣的話，利用微生物的改變來預測牛皮癬的發生，就能令患者減少免疫抑制藥物的使用。
將這種數據密集型的技術應用到標準的實驗室測試中又將是一個挑戰。“肯定會有人說這太復雜了，不可能推廣開來。”康拉德說。“在某種程度上，我能理解這種看法。但我們現在的發展勢頭不錯，繼續按照目前的方法做下去或許就能得到不錯的結果。”
但德利斯特恩想要的不僅僅是維持現狀繼續做下去，他想要改變目前的狀況，尤其是正在蓬勃發展的微生物組學研究領域。他認為學科發展就是要經歷不同的階段：*階段注重于微生物的鑒定，而第二階段就是利用質譜等技術探明這些微生物究竟在干什么。
是什么驅動著微生物群落的建立?它們采用怎樣的代謝方式?微生物之間、微生物與寄主之間又是如何互相作用的?“如果你能從根本上理解了這些問題，”德利斯特恩說，“那么你就可以開始控制它了。”他認為，第三階段就是控制微生物。通過操縱微生物群落，是不是就能添加必需成分來改變人體健康、情緒和運動表現了呢?德利斯特恩認為這些問題的答案就擺在他面前，而他只需進一步探索。
[來源：環球科學]
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