Nature Communications：无荧光标记机器学习追踪动物细胞界面上细菌的运动性

文摘 2024-11-14 08:02 芬兰

原文献信息：Abe, K.; Koizumi, N.; Nakamura, S. Machine learning-based motion tracking reveals an inverse correlation between adhesivity and surface motility of the leptospirosis spirochete. Nat Commun 2023, 14(1), 7703.

摘要：

细菌运动性通常是致病种群的重要毒力因子。研究细菌运动性的常见方法是荧光标记，这种方法可以检测群体或宿主体内的单个细菌细胞。然而，荧光标记的使用可能会因蛋白质表达稳定性和/或对细菌生理的干扰而受限。在此研究中，我们运用机器学习对显微图像进行分析，实现对人畜共患病菌——钩端螺旋体（Leptospira interrogans）在培养的动物细胞上的无标记运动追踪。我们使用了多种从人类患者或动物体内分离的钩端螺旋体菌株，以及突变菌株。与严重疾病相关的菌株以及缺乏外膜蛋白的突变菌株往往表现出快速的运动性和在培养的肾细胞上降低的附着性。我们的方法不需要荧光标记或遗传操作，因此可以应用于许多其他细菌物种的运动性研究。

主要内容：

无标记运动追踪

我们使用暗场显微镜观察了钩端螺旋体的细长细胞体。在体外感染实验中，培养细胞的散射影响了细菌的可视化。我们通过获取亮度分布、逐像素背景减法、高斯混合模型（GMM）识别背景、集成背景减法结果、识别细菌，并跟踪细菌的质心，成功地在无标记的情况下确定了钩端螺旋体在培养细胞上的运动轨迹，实现了对其无标记运动追踪。

与宿主细胞相关的限制性爬行crawling

研究比较了两对钩端螺旋体菌株在宿主细胞界面的游动和爬行运动，发现致病菌株爬行性强，非致病菌株游动性强。无症状对照组中，钩端螺旋体游动平滑但爬行时平移运动减少；严重症状组中，细菌表现出长距离迁移。

钩端螺旋体在狗肾细胞上爬得更快

我们考察了多种钩端螺旋体菌株在鼠肾（NRK）和犬肾（MDCK）上的运动性，发现游动速度与宿主-细菌组合无关，但爬行速度在犬肾上更快。犬类易感染多种致病性钩端螺旋体，这表明爬行速度与其他毒力因子共同决定钩端螺旋体的致病性。

外膜蛋白（OMPs）对爬行的贡献

已知牙周螺旋体齿螺旋体（T. denticola）的爬行涉及外膜蛋白dentilisin，因此猜测钩端螺旋体的爬行也可能由外膜蛋白（OMPs）和脂多糖（LPS）参与。研究发现LenA和LigA影响对宿主细胞的粘附，LigA对犬类定殖尤为关键。

粘附性与爬行能力的负相关性

我们研究了钩端螺旋体的黏附性与爬行能力的关系，发现呈反比。强黏附性抑制爬行，且爬行速度减缓可能因细胞旋转减速。强黏附性利于细菌维持，弱黏附性助其探索更广区域。快速爬行助穿透深层组织，但增加了被清除的风险，是病原细菌面临的权衡关系。

爬行模型

实验表明，过度粘附会降低爬行速度，且细菌-宿主组合的动力学参数差异可能影响粘附性和爬行性。增加的结合速率常数可能减少黏附素结合比例，影响爬行速度。外膜蛋白数量减少可促进爬行。模型还显示了爬行速度与黏附素数量的依赖关系。考虑到活细胞中受体数可能不均匀，爬行速度会波动。未来研究将使用实际参数进行定量建模，并揭示细菌在表面运动的基本物理机制。

文中图表：

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0ODU0MTMwOA==&mid=2247490713&idx=1&sn=dd7d5999452e100a00cc4138a1fbff8b

微生物生态 iMcro

欢迎关注呀，这里有最新的科研动态。交流、讨论or其它合作请联系小编chujinchujinchujin

Nat Rev Microbiol: 微生物胞外聚合物EPS在环境、技术和医学中的应用

Nature Communications：无荧光标记机器学习追踪动物细胞界面上细菌的运动性

顶刊中的数据分析方法，没有您想象的那么神秘

新型图像分析软件实现微量孔板中早期生物膜生长的定量分析

ISME：海绵共生体揭示微生物间复杂互作

ISME J: 接触多环芳烃会改变皮肤病毒组的组成和病毒-宿主互作

Soil Biol Biochem：外在因素而非内在因素决定了枯木的微生物定殖

Current Biology：生物生物膜一场“Jekyll与Hyde”的生态博弈

Current Biology：土壤细菌与菌根真菌互生关系的生物学与化学奥秘

从噬菌体中提取溶菌肽--对付鲍曼不动杆菌的秘密武器

Nature Physics：细菌生物膜中传播性波纹出现的原因

Nature Communications：尾部组装干扰是细菌抗病毒防御中的常见策略

火爆全球！Nature再创奇迹，微生物领域迎来史上最大突破，太炸裂！

噬菌体防治细菌生物被膜相关感染的研究进展

【专家讲坛】噬菌体与生物被膜：细菌群体抗性机制及潜在策略

Science：DdmDE防御系统介导的质粒消除的分子机制

Nature reviews microbiology: 瞄准抗菌耐药性质粒的传播

mBio：霍乱弧菌与裂解性噬菌体ICP1的免疫对抗

Nature Communications：重新评估并提升环境细菌的可培养率

Nature：病毒衍生的酶能够破坏细胞膜结构

数据分析 | 微生物宏基因组数据组装、分箱等高级分析如何可视化？

Nature reviews microbiology: 从土壤到抗击抗菌耐药性

Science：抗菌肽-从进化中汲取应用灵感

Nature：噬菌体重建NAD+以对抗细菌免疫

mSystems：急性铜绿假单胞菌肺部感染噬菌体治疗的集合种群模型

Nature：新病毒基因组网站旨在使共享序列变得更容易和公平

史上最强！寒门学者连发三篇Nature赋能微生物生态领域！历史将被改写！

去聚合酶活性噬菌体控制耐药肺炎克雷伯菌生物膜

抵御噬菌体感染的霍乱弧菌IV型限制系统

蓝藻生物膜：从自然系统到应用

Current Biology：海洋藻类如何进化出固氮细胞器

Npj Biofilms Microbi: 生物膜物理特性对抗生素敏感性的影响：低频超声的作用

ISME：原生动物捕食促进拮抗微生物群体间的抗生素抗性传播

Nature Communications：代谢物交换提高了生物膜中细菌的存活率和恢复力

Nature Biotechnology：塑料分解细菌推动生物修复业务的增长

Nature Communications：微生境碎片化改变了细菌相互作用的结果

Nat Rev Microbiol：重新发现质粒依赖性噬菌体

Science Careers：如何在大学教职面试中取得成功

Bioresour. Technol |深海油污沉积物修复中细菌专才的关键作用：维持系统稳定性与调控微生物多样性

Nature Communications：人工选择提高了细菌群落对污染物的降解能力

Applied and Environmental Microbiology：霍乱弧菌在水中和仿黏液环境中的运动能力

Nature：全球海洋微生物多样性及其在生物勘探中的潜力

Science：代谢交互模型再现了叶片微生物群落生态

小空间中的大变化-微生物军备竞赛

强势来袭！又一篇“神仙”Nature诞生！微生物领域再次“震惊世界！”

Nature Microbiology：代谢交换在自然微生物群落中无处不在

Nature Communications: 生长素生成细菌促进大麦根鞘形成

ISME Comun：动态互作与关键物种塑造了生物膜的多样性与稳定性

PNAS: 细菌如何利用被动物理过程形成生物膜

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉