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单细胞尺度下的微生物学研究:意义与方法
引用本文:陈子熙,陈磊,张卫文. 单细胞尺度下的微生物学研究:意义与方法[J]. 微生物学报, 2017, 57(6): 920-931
作者姓名:陈子熙  陈磊  张卫文
作者单位:天津大学化工学院合成微生物学实验室, 天津 300354;系统生物工程教育部重点实验室, 天津 300354;化学化工协同创新中心, 天津 300072,天津大学化工学院合成微生物学实验室, 天津 300354;系统生物工程教育部重点实验室, 天津 300354;化学化工协同创新中心, 天津 300072,天津大学化工学院合成微生物学实验室, 天津 300354;系统生物工程教育部重点实验室, 天津 300354;化学化工协同创新中心, 天津 300072;天津大学生物安全战略研究中心, 天津 300072
基金项目:国家自然科学基金(21621004,31370115);国家“973项目”(2014CB745101);高等学校博士学科点专项科研基金(20120032110020,20130032120022);天津市应用基础与前沿技术研究计划(15JCZDJC32500)
摘    要:最近研究表明,即便是处于同一种群中的微生物细胞,在基因转录和翻译、蛋白活性、以及代谢物丰度等多个水平都可能存在显著差异,说明微生物细胞间存在着多个层次上的异质性;同时,传统微生物学研究方法需要将所研究的微生物对象在实验室实现再次培养,然后对纯培养的微生物种群进行研究,这样往往造成实验室的研究结果无法真实地反映微生物细胞在自然界中的原始状态,急需发展新的原位研究手段;此外,自然界中的微生物目前只有极少部分可以在实验室中进行培养,仍有大量微生物无法通过传统方法进行发掘和研究。单细胞尺度微生物学为解决这些微生物学研究中的重要挑战提供了一种新的策略和技术思路,有望帮助我们更为直观、深入地了解每个细胞内部的状态,以及其在自然界的生理生态功能。本文对单细胞尺度微生物学研究的意义以及当前单细胞尺度微生物学的研究方法,特别是新兴的微生物单细胞组学方法进行了介绍。

关 键 词:单细胞尺度微生物学  异质性  不可培养微生物  单细胞基因组学  单细胞转录组学
收稿时间:2017-02-12
修稿时间:2017-03-22

Microbiology at single-cell scale: significance and approaches
Zixi Chen,Lei Chen and Weiwen Zhang. Microbiology at single-cell scale: significance and approaches[J]. Acta microbiologica Sinica, 2017, 57(6): 920-931
Authors:Zixi Chen  Lei Chen  Weiwen Zhang
Affiliation:Laboratory of Synthetic Microbiology, School of Chemical Engineering & Technology, Tianjin University, Tianjin 300354, China;Key Laboratory of Systems Bioengineering, Ministry of Education, Tianjin 300354, China;Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072, China,Laboratory of Synthetic Microbiology, School of Chemical Engineering & Technology, Tianjin University, Tianjin 300354, China;Key Laboratory of Systems Bioengineering, Ministry of Education, Tianjin 300354, China;Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072, China and Laboratory of Synthetic Microbiology, School of Chemical Engineering & Technology, Tianjin University, Tianjin 300354, China;Key Laboratory of Systems Bioengineering, Ministry of Education, Tianjin 300354, China;Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072, China;Center for Biosafety Research and Strategy, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract:Recent studies have shown that even in the same population, there might be significant differences among individual cells at both cellular and molecular levels, indicating multiple levels of heterogeneity in microbial cells. Meanwhile, depending on establishing pure culture in the laboratory for the targeted microbes, traditional microbiology approaches are unable to present the original state of microorganisms in natural environments. Moreover, so far only small number of microbial species is cultivated successfully in the laboratory, leaving a great deal of microbial information untouched. Single-cell microbiology can be effective tools for addressing these issues and providing better and in-depth understanding of state of microbial cells. In this mini-review, we briefly introduce the significance of single-cell microbiology, and summarize current state-of-the-art methodologies in this new research area, especially the emerging single-cell omics tools for microbial research.
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