Liji Thomas博士，医学博士
一种新的检测方法可以在一分钟内识别细菌的存在，同时区分健康细菌和非活菌，可以挽救许多生命并节省大量资金。华威大学的科学家们报告了这项技术，该技术基于细菌对外部电刺激的电信号变化。
细菌检测对现代医疗实践至关重要。细菌培养方法需要几天才能得到结果。在败血症中，每延迟治疗一小时，死亡率就上升8%。同样，高达30%的尿路感染在尿试纸检查中被遗漏，特别是低水平感染。延误诊断可能导致感染，甚至造成危险，导致死亡或残疾。商业标本细菌污染的延迟检测也有巨大的经济影响。
在这种背景下，细菌中的生物电信号可以产生非常有用的结果。目前的研究结合了生物学、数学建模和工程原理，利用静息膜电位(细胞膜上的基线电压)的变化，快速检测活菌。
动物生物电是研究细胞在外部电场作用下的电特性的一个重要研究领域。细菌生物电的研究相对较新，但我们现在知道，增殖性细菌需要稳定的静息膜电位，并使用几乎一半的能量来维持它。静息膜电位是细胞电信号的关键。
雷丁大学的科学家Yoshikatsu Hayashi评论道:“使用神经科学中广泛使用的数学模型，我们揭示了可兴奋细胞、神经元和细菌细胞的共同机制，扩展的神经元模型可以解释健康和不健康细菌细胞的两种不同的电反应。”令人惊讶的是，一个代表跨膜不平衡程度的单一参数足以解释细胞的不同反应。这是理解电信号起源的重要一步。”
以前，延时显微镜和荧光团介导的单细胞膜电位研究已被用于检测增殖能力。然而，在许多情况下，膜电位的变化会导致非特异性的结果，除非首先进行复杂和细致的校准。目前的研究特别关注外场诱导的膜电位变化是否依赖于细菌的增殖电位。
科学家们使用一种专门开发的设备，观察枯草芽孢杆菌(B. subtilis)和大肠杆菌(E. coli)两种细菌单细胞的细胞增殖和膜电位，以及对电刺激的反应。
增殖细菌(通过相衬延时显微镜观察)首先以荧光染料分子作为膜电压指示器。施加2.5秒的电脉冲。结果是一种强烈的荧光，表明超极化(细胞内部比外部带更多的负电荷)。
其中一部分细胞用400 nm紫外光照射，紫外光是一种常见的细菌生长抑制剂，通过相衬延时显微镜证实了其生长抑制作用。出现在同一场不同区域的正常细胞作为对照。在同样的刺激下，受辐照的细胞是去极化的(内部变得更正)，而其他细胞是超极化的。因此，这区分了健康细菌和非活菌。这种转变被认为是由于受损细胞的静息膜电位的变化，并且可以通过当前研究中使用的扩展神经元模型来预测。
然后用万古霉素处理这两种细菌的混合培养物，万古霉素是一种抑制枯草芽孢杆菌但不抑制大肠杆菌增殖的抗生素。随后的刺激分别产生枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的去极化和超极化。同样的结果在用乙醇或质子载体处理后也可以看到，这也会导致细胞损伤。因此，该方法可以与选择性培养相结合，以检测抗生素耐药性。
研究人员已经建立了自己的初创公司Cytecom，并期望商业设备很快就可以用于工业和临床用途，以快速检测活细菌并寻找抗生素对细菌培养物的影响。Cytecom获得了Innovate UK的资助，该机构旨在促进创新。
该研究的作者Munehiro Asally说:“研究细菌细胞的生物电是一个令人兴奋的时刻。这项工作表明，细菌电可以带来社会上重要的技术，同时获得对我们对细胞的基本理解的基本见解。我们开发的工具可以提供更多的机会，可以进行以前无法进行的实验。”
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
来源
- 电诱导细菌膜电位动态响应细胞增殖能力，James P. Stratford, Co或l.a. Edwards, Manjari J. Ghanshyam, Dmitry Malyshev, Marco A. Delise, Yoshikatsu Hayashi, Munehiro Asally，《国家学报》美国科学院学报，2019年5月，116 (19)9552-9557;DOI: 10.1073 / pnas上。1901788116, https://doi.org/10.1073/pnas.1901788116
- Warwick.ac.uk(2019)。华威大学的新技术可以在几分钟内检测到大肠杆菌等细菌。https://warwick.ac.uk/newsandevents/pressreleases/bacteria_such_as
