Ученые применили 3D-визуализацию на основе Рамановской спектроскопии для мониторинга микроорганизмов

Микроорганизмы играют ключевую роль в глубоководном цикле серы. Однако их in-situ детекция сталкивается с серьезными проблемами из-за экстремальной сложности глубоководной среды, трудностей отбора проб, изоляции и культивирования микроорганизмов, а также отсутствия методов неразрушающего мониторинга их серного метаболизма в режиме, близком к реальному времени.

Исследовательская группа под руководством профессоров Чжан Синя и Сунь Чаомина из Института океанологии Китайской академии наук (IOCAS) достигла долгосрочного, почти в реальном времени, неразрушающего мониторинга микроорганизмов с помощью 3D-количественной визуализации на основе конфокальной Рамановской технологии.

Исследование было опубликовано в Microbiology Spectrum.

В настоящее время процесс образования элементной серы в основном изучается классическими биологическими и химическими методами, такими как спектроскопия ближней краевой абсорбции рентгеновских лучей, высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC), просвечивающая электронная микроскопия, ионная хроматография и хемометрика. Однако эти методы в основном исследуют метаболизм микроорганизмов в определенные моменты времени через отбор проб и не могут непрерывно мониторить их метаболические процессы во временном масштабе без разрушения клеток.

Более того, некоторые из этих методов имеют сложную подготовку проб, что разрушает in-situ условия клеток. Они также могут привести к неравномерному отбору проб и загрязнению, что затрудняет непрерывное in-situ наблюдение.

Конфокальная Рамановская 3D-визуализация является недорогой, быстрой, безындикаторной и неразрушающей и обладает потенциалом для идеального сочетания качественного, количественного анализа и визуализации.

Чтобы продемонстрировать потенциал этой техники, команда профессора Чжана разработала метод in-situ 3D-количественного Рамановского анализа микробных сообществ на твердых субстратах. Он сочетал оптическую визуализацию с Рамановским количественным анализом и мог количественно характеризовать микробные метаболические процессы как во временном, так и в пространственном измерениях неразрушающим способом.

Эта технология была применена для in-situ мониторинга процессов серного метаболизма глубоководной бактерии холодных сипов E. flavus 21-3. Расчеты объема и анализ соотношений на основе Рамановского 3D-изображения позволили количественно оценить рост и метаболизм микробной колонии в различных средах. Это раскрыло неизвестные ранее детали микробного роста и метаболизма и предоставило важную техническую поддержку для выяснения причин широкого распространения элементной серы в глубоководных холодных сипах.

«Насколько нам известно, это первая in-situ неразрушающая технология, которая пытается осуществлять долгосрочный мониторинг роста и метаболизма микроорганизмов на твердой среде. Она позволяет быстро идентифицировать метаболиты, делать выводы о биологических путях, отбирать оптимальные метаболические условия для микроорганизмов и сравнивать скорость производства элементной серы разными штаммами», — сказал профессор Чжан.

«Успешное применение этой технологии не только демонстрирует потенциал метода для будущей визуализации и количественного анализа микробных процессов in-situ, но также предоставляет новые идеи для изучения микроорганизмов, прикрепленных к твердым поверхностям в естественной среде», — сказал профессор Сунь.