Skip to main content
Global

7.5：使用生物化学识别微生物

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    200277

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    学习目标

    • 描述细胞内生物合成产物的示例，这些产物可以被检测以识别细菌

    在临床微生物实验室中，准确识别细菌分离株至关重要，因为结果通常会为直接影响患者预后的治疗决策提供依据。 例如，食物中毒病例需要准确识别致病因子，以便医生开出适当的治疗方案。 同样，在疾病爆发期间准确识别致病病原体也很重要，这样才能采取适当的策略来遏制疫情。

    检测、表征和识别微生物的方法有很多。 有些方法依赖表型生化特征，而另一些方法则使用基因型鉴定。 细菌的生化特性提供了许多可用于分类和鉴定的特征。 分析细菌分离物的营养和代谢能力是确定细菌属和种类的常用方法。 细菌用来存活的一些最重要的代谢途径将在微生物代谢中讨论。 在本节中，我们将讨论几种使用生化特性识别微生物的方法。

    一些微生物将某些化合物作为颗粒储存在其细胞质中，这些颗粒的内容物可用于鉴定目的。 例如，聚β-羟基丁酸酯（PHB）是一种碳和储能化合物，存在于假单胞菌属的一些非荧光细菌中。 该属中的不同物种可以根据是否存在 PHB 和荧光色素进行分类。 人类病原体铜绿杆菌和植物病原体 P. syringae 是不会积聚 PHB 颗粒的荧光假单胞菌物种的两个例子。

    其他系统依靠生化特性通过其生化反应（例如碳利用率和其他代谢测试）来识别微生物。 在小型实验室环境或教学实验室中，这些测定是使用有限数量的试管进行的。 但是，更现代的系统，例如由Biolog, Inc. 开发的系统，是基于同时进行并由软件分析的生化反应面板。 Biolog的系统根据细胞代谢某些生物化学物质的能力及其生理特性（包括pH值和化学敏感性）来识别细胞。 它在分析中使用所有主要类别的生物化学物质。 可以手动进行识别，也可以使用半自动或全自动仪器进行识别。

    另一个自动化系统通过确定标本的质谱然后将其与包含数千种微生物的已知质谱的数据库进行比较来识别微生物。 该方法基于基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱（MALDI-TOF），使用一次性的 MALDI 板，将微生物与特殊基质试剂混合（图\(\PageIndex{1}\)）。 样品/试剂混合物受到高强度脉冲紫外激光照射，从而喷射由微生物的各种化学成分产生的气态离子。 这些气态离子通过质谱仪收集和加速，离子的传播速度由其质量电荷比（m/z）决定，因此在不同的时间到达探测器。 探测器信号与 m/z 的关系图可生成与其生化成分独特相关的生物体的质谱。 将质谱与从已知微生物的相同分析中获得的参考光谱库进行比较，可以识别未知微生物。

    流程图。 带有圆网格的方形板标有 “在 Maldi-plate 上生长微生物” 的标签。 然后照射样品。 然后使用质谱仪测量释放的气态离子。 然后将样品的质谱与参考光谱进行比较；此处显示了两张小图。 然后确定了物种。
    图\(\PageIndex{1}\)：MALDI-TOF 方法现在通常用于临床微生物实验室的诊断程序。 该技术能够快速识别一些无法通过更传统的方法轻易识别的微生物。 （来源 “MALDI plate photo”：Chen Q、Liu T、Chen G 对作品的修改；来源 “graphs”：Bailes J、Vidal L、Ivanov DA、Soloviev M 对作品的修改）

    还可以通过测量其独特的脂质分布来识别微生物。 正如我们所了解的那样，脂质中的脂肪酸在链长、是否存在双键以及双键、羟基、分支和环的数量方面可能有所不同。 为了通过微生物的脂质成分鉴定微生物，对其膜中存在的脂肪酸进行了分析。 用于此目的的常见生化分析是临床、公共卫生和食品实验室中使用的一种技术。 它依赖于检测脂肪酸的独特差异，被称为脂肪酸甲酯（FAME）分析。 在 FAME 分析中，脂肪酸从微生物膜中提取，经过化学改变形成挥发性甲酯，然后通过气相色谱 (GC) 进行分析。 将生成的气相色谱图与数据库中的参考色谱图进行比较，该数据库包含数千种细菌分离株的数据，以识别未知微生物（图\(\PageIndex{2}\)）。

    流程图。 培养出细菌培养物（图像为琼脂板）。 然后提取脂肪酸并将其转化为甲酯（图像为试管）。 然后气相色谱分析甲酯指纹（图像为色谱机）。 然后识别出细菌（图像为图表）。 图表的 X 轴是列保留时间。 Y 轴是探测器信号。 这条线有不同的峰值。
    图\(\PageIndex{2}\)：细菌鉴定中的脂肪酸甲酯（FAME）分析得出每种细菌独有的色谱图。 气相色谱图中的每个峰对应一种特定的脂肪酸甲酯，其高度与细胞中的含量成正比。 （来源 “文化”：修改疾病控制与预防中心的工作；来源 “graph”：对张P和Liu P. 作品的修改）

    一种相关的微生物鉴定方法称为磷脂衍生脂肪酸（PLFA）分析。 膜主要由磷脂组成，磷脂可以皂化（用碱水解）以释放脂肪酸。 然后对所得脂肪酸混合物进行FAME分析，并且可以将测得的脂质谱与已知微生物的脂质谱进行比较，以识别未知微生物。

    细菌鉴定也可以基于在人体内特定生长条件下产生的蛋白质。 这些类型的鉴定程序称为蛋白质组学分析。 为了进行蛋白质组学分析，首先通过高压液相色谱（HPLC）从病原体中分离出蛋白质，然后消化收集的部分以产生较小的肽片段。 这些肽通过质谱法进行鉴定，并与已知微生物的肽进行比较，以识别原始标本中的未知微生物。

    微生物也可以通过附着在质膜或细胞壁中的蛋白质（糖蛋白）上的碳水化合物来识别。 抗体和其他碳水化合物结合蛋白可以附着在细胞表面的特定碳水化合物上，导致细胞聚集在一起。 血清学检测（例如，用于鉴定链球菌物种的兰斯菲尔德群测试）用于检测位于细胞表面的独特碳水化合物。

    临床重点：分辨率

    Penny 停止使用她的新防晒霜，而是按照指示将皮质类固醇霜涂在皮疹上。 但是，几天后，她的皮疹没有改善，实际上似乎正在恶化。 她与医生进行了后续预约，医生观察到毛囊周围有颠簸的红疹和充满脓液的水泡（图\(\PageIndex{3}\)）。 皮疹特别集中在可能被泳衣遮盖的区域。 经过一番询问后，潘妮告诉医生，她最近参加了一场泳池派对，并在热水浴缸里呆了一段时间。 鉴于这一新信息，医生怀疑有一例热水浴缸皮疹病例，这种感染通常是由铜绿假单胞菌引起的，铜绿假单胞菌是一种机会主义病原体，可以在热水浴缸和游泳池中茁壮成长，尤其是在水氯化不足的情况下。 铜绿杆菌与囊性纤维化患者肺部感染相关的细菌相同。

    皮肤有红色凸起的肿块。
    图\(\PageIndex{3}\)：在游泳池或热水浴缸的水中接触铜绿假单胞菌有时会导致皮肤感染，表现为 “热水浴缸皮疹”。 （来源：“Lsupellmel” /Wikimedia Commons 对作品的修改）

    医生从潘妮的皮疹中采集了一个样本，送到临床微生物实验室。 进行了确认性测试，以区分铜绿杆菌和肠道病原体，后者也可能存在于泳池水和热水浴缸水中。 该测试包括在 cetrimide 琼脂上产生蓝绿色色素 pyocyanin 以及在 42 °C 下生长。西曲胺是一种选择性药物，可以抑制其他微生物菌群的生长，还可以增强铜绿杆菌色素 pyocyanin 和荧光素的产生，它们是分别为典型的蓝绿色和黄绿色。

    测试证实潘妮的皮肤样本中存在铜绿杆菌，但医生决定不开抗生素处方。 尽管铜绿杆菌是一种细菌，但假单胞菌通常对许多抗生素具有耐药性。 幸运的是，像Penny's这样的皮肤感染通常是自限性的；皮疹通常持续约2周并自行消退，无论是否接受药物治疗。 医生建议 Penny 等着继续使用皮质类固醇药膏。 这种面霜不会杀死 Penny 皮肤上的铜绿杆菌，但它可以抑制身体对细菌的炎症反应，从而平息她的皮疹并最大限度地减少瘙痒。

    关键概念和摘要

    • 在临床实验室中，准确识别细菌对于诊断和管理细菌暴发引起的流行病、流行病和食物中毒至关重要。
    • 微生物的表型鉴定涉及使用可观察的特征，包括脂质等结构成分的特征、糖或氨基酸等生物合成产物或聚β-羟基丁酸等储存化合物的概况。
    • 通过基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱 (MALDI-TOF) 分析时产生的独特质谱可以识别出未知微生物。
    • 通过使用脂肪酸甲酯 (F AM E) 或磷脂衍生脂肪酸 (P LFA) 分析法测定其脂质成分，可以鉴定微生物。
    • 蛋白质组学分析，即对生物体所有积累的蛋白质的研究，也可用于细菌鉴定。
    • 质膜或细胞壁结构中的糖蛋白可以与凝集素或抗体结合，可用于鉴定。