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抗生素抗性是指細菌對某種抗生素如氨芐青霉素，四環素等的抵抗作用。某些質粒和轉座子可攜帶特定的抗性基因，敏感菌獲得這些質粒即轉化為抗性菌。大量研究發現，畜禽糞便中含有高度富集的抗生素抗性基因，這些糞便會對養殖區域及周圍環境造成潛在的抗性基因污染。抗性基因還會通過轉化、轉導和接合的途徑進入其他環境細菌和致病菌中，對人類健康和生態環境造成潛在的威脅。

探討抗性的進化過程對遏制其全球傳播至關重要。抗性進化過程涉及高度復雜的表型異質性響應。在抗生素處理下，基因完全相同的微生物菌群中會出現小部分可耐受抗生素的細胞亞群。該存活的亞群在抗生素存在時不能生長，但在去除抗生素后可恢復生長，造成長期復發性感染，也是后續發生抗性基因突變的關鍵儲庫。然而，由于耐受亞群的復雜異質性響應且生長停滯，從大量細菌群體中識別耐受亞群并追蹤其生理進化軌跡仍是挑戰。

近日，中國科學院城市環境研究所朱永官院士團隊與崔麗研究組通過發展單細胞拉曼-氘標同位素-多元統計分析等多種技術聯用的方法，在單細胞的高精度水平原位解析了細菌響應的異質性，并從大量細菌群體中靈敏識別出表型亞群的分化及動態變化，實現了抗性突變前細菌表型生理軌跡的快速原位追蹤，為遏制抗性進化提供重要指導。

研究利用重水標記的單細胞拉曼光譜以不依賴培養的方式，檢測進化過程中細菌的原位活性。基于單細胞拉曼所揭示的細菌原位表型異質性響應，科研人員繪制出抗性進化的生理軌跡圖。細菌全基因組測序對所揭示的表型進行交互驗證，并解析了表型產生的遺傳基礎。表型分化對維持整個菌群的生存和進化至關重要。由于表型分化遠早于抗性突變，識別表型分化對指導臨床用藥以及減少抗生素耐受性和抗性突變的發生具有重要意義。研究利用明顯區分的四個亞群的拉曼圖譜，挖掘出耐受性和抗性突變的拉曼標記峰，促進了抗性進化不同階段尤其是表型耐受性的快速精準識別。

該單細胞分析平臺可以拓展到更廣泛的抗生素或非抗生素化學品誘導的抗性進化研究。未來可以將該單細胞拉曼與靶向單細胞分選和多組學技術聯用，實現耐受性和抗性表型與基因型的精確關聯，促進進一步闡釋進化機制。

相關論文An Isotope-Labeled Single-Cell Raman Spectroscopy Approach for Tracking the Physiological Evolution Trajectory of Bacteria toward Antibiotic Resistance于近日發表在《德國應用化學》

資料來源： 城市環境研究所

關鍵詞： 抗性基因 城市環境 至關重要