背景介绍

你敢信吗？以前在显微镜下挤成“一团乱麻”的细菌mRNA，如今可被精准分离并逐一分析。哈佛团队最新研发的Bacterial-MERFISH技术，通过将细菌体积物理膨胀1000倍，结合多重容错性荧光原位杂交（MERFISH）技术，精准定位每个基因的表达位置，这项登上Science的黑科技，彻底打破了微生物空间研究的天花板！

微生物研究的“空间困境”

为何传统方法难窥全貌？

做微生物研究的伙伴肯定深有体会：细菌体积仅为真核细胞的几十分之一，而内部mRNA密度极高。一个大肠杆菌细胞内约包含8000个mRNA分子，传统荧光原位杂交（FISH）根本分不清谁是谁；就算用单细胞测序，也得把细菌从生物膜或宿主组织中分离，宝贵的空间位置信息全丢了。

1000倍膨胀+MERFISH

重构细菌研究范式

Bacterial-MERFISH 技术，说起来很直观，既然细菌太小、mRNA太挤，那就把它放大！

研究团队为细菌量身定制了一套膨胀方案：先把细菌用多聚甲醛（PFA）固定，消化掉坚硬的细胞壁，加水让凝胶膨胀，单轮膨胀就能让细菌体积变大50倍，两轮迭代下来体积直接扩到1000倍！原本挤在一起的mRNA分子，瞬间被拉开距离，再结合MERFISH技术的组合荧光探针，就像给每个mRNA发“专属身份证”，精准识别数千种不同的转录本。

该技术的核心性能表现优异：在大肠杆菌里能同时分析1930个操纵子，覆盖80%的转录组，检测效率最高达50%，假阳性率还极低，能够跨4个数量级精准量化基因表达水平。

Fig1 大肠杆菌中数千个操纵子的图像表达分析

三大突破性发现

重新认识细菌

有了Bacterial-MERFISH这个工具，研究团队取得了多项颠覆性发现：

01 细菌应对碳饥饿

不是“同步行动”，而是“分层探索”

当大肠杆菌从葡萄糖切换到木糖代谢时，传统研究认为菌群会同步调整代谢模式。但通过Bacterial-MERFISH观察发现，细菌会分化为十几个功能亚群，采取差异化策略：部分亚群先动员糖原储备，部分尝试分解麦芽糖、甘油等碳源，最终才启动木糖和阿拉伯糖代谢途径。这种“分层探索”策略类似细菌的“风险分散机制”，确保种群在环境变化中维持存活，展现了微生物复杂的适应性进化智慧。

Fig2 碳饥饿的随机分层响应

02 细菌内部不混乱

mRNA有清晰的“空间地图”

长期以来，细菌内部被认为是分子随机分布的“无序系统”，但该研究首次绘制出细菌亚细胞层面的转录组图谱mRNA存在明确的空间分布模式，部分mRNA富集于细胞膜（如编码内膜蛋白的转录本），部分聚集于细胞两极，另有部分定位于细胞中央。更重要的是，mRNA的空间位置与其在染色体上的起源位点密切相关，例如靠近复制终点terC的基因，其转录产物多聚集于细胞中部，这种“基因定位-转录本分布”的关联规律，此前尚未被发现。

Fig3 大肠杆菌转录组呈现出多样化的模式

03 肠道菌的“微米级适应”

在黏液层和肠腔，代谢完全不一样

研究团队为无菌小鼠定植人类肠道常见的多形拟杆菌后，利用Bacterial-MERFISH技术观察其在结肠内的分布与代谢状态。结果显示，靠近宿主黏液层的细菌会特异性上调宿主聚糖利用相关基因（如靶向黏蛋白的PULs），而位于肠腔中央的细菌则优先表达饮食聚糖分解相关基因。这一发现证实，肠道细菌在微米级空间范围内，已演化出适应局部微环境的特异性代谢策略，这种精细差异在传统批量测序中无法被捕捉。

Fig4 肠道共生菌对哺乳动物结肠中微米级生态位的适应

对科研人来说

Bacterial-MERFISH技术意味着什么？

对于微生物领域的科研人员而言，不管是肠道菌群、环境微生物还是病原菌，Bacterial-MERFISH都可能成为你的“科研加速器”：

生物膜研究中

可以直接看到不同细菌亚群的功能分工，无需依赖分离培养推测机制

宿主-微生物互作研究中

能精准定位病原菌在宿主组织中的定植位点，以及不同微环境下的基因表达变化

针对难培养微生物

可直接在原位分析其功能特征，突破传统培养技术的限制。

从“看不清”到“看得透”，从“批量平均”到“单细胞空间精准分析”，Bacterial-MERFISH不仅是一项技术突破，更给微生物研究打开了一扇新大门。未来不管是解析复杂菌群的互作机制，还是开发针对病原菌的精准干预方案，这项技术都可能成为核心工具。

拜谱小结

拜谱生物作为国内领先的多组学技术服务公司，构建了完善成熟的技术服务体系。深度布局单细胞及空间研究领域，可提供全面的真核原核单细胞转录组测序与分析服务，同时涵盖蛋白质组学、修饰组学、代谢组学、高通量测序等核心组学技术，能通过多组学数据整合挖掘与深度机制解析，精准匹配微生物学、肠道生态、细菌功能异质性等领域的研究需求。从技术支持到数据分析全链条赋能，助力科研人员解锁细菌空间调控、微生物互作等关键科学问题，冲刺高分文章！欢迎咨询合作，共同推进科研突破！

参考文献

Sarfatis A, Wang Y, Twumasi-Ankrah N, Moffitt JR. Highly multiplexed spatial transcriptomics in bacteria. Science. 2025 Jan 24;387(6732):eadr0932. doi: 10.1126/science.adr0932.