原文链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7331455/

Abstract

Imaging the inventory of microbial small molecule interactions provides important insights into microbial chemical ecology and human medicine. Herein we demonstrate a new method for enhanced detection and analysis of metabolites present in interspecies interactions of microorganisms on surfaces. We demonstrate that desorption electrospray ionization-imaging mass spectrometry (DESI-IMS) using microporous membrane scaffolds (MMS) enables enhanced spatiochemical analyses of interacting microbes among tested sample preparation techniques. Membrane scaffolded DESI-IMS has inherent advantages compared to matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) and other IMS methods through direct IMS analyses of microbial chemistry in situ. This rapid imaging method yields sensitive MS analyses with unique m/z measurements when compared to liquid chromatography–electrospray ionization-mass spectrometry (LC–ESI-MS) via unmediated sampling by MMS DESI-IMS. Unsupervised segmentation imaging analysis of acquired DESI-IMS data reveals distinct chemical regions corresponding to intermicrobial phenomenon such as predation and communication. We validate the method by linking Myxovirescin A and DKxanthene-560 to their known biological roles of predation and phase variation, respectively. In addition to providing the first topographic locations of known natural products, we prioritize 54 unknown features using segmentation within the region of predation. Thus, DESI-IMS and unsupervised segmentation spatially annotates the known biology of myxobacteria and provides functional exploration of newly uncharacterized small molecules.

摘要

对微生物小分子相互作用清单进行成像可为微生物化学生态学和人类医学提供重要见解。在此，我们展示了一种增强检测和分析微生物表面物种间相互作用中存在的代谢物的新方法。我们证明，使用微孔膜支架 (MMS) 的解吸电喷雾电离成像质谱法 (DESI-IMS) 能够在测试的样品制备技术中增强相互作用微生物的空间化学分析。与基质辅助激光解吸电离 (MALDI) 和其他 IMS 方法相比，膜支架 DESI-IMS 通过直接对微生物化学进行原位 IMS 分析具有固有优势。与通​​过 MMS DESI-IMS 进行无中介采样的液相色谱-电喷雾电离质谱法 (LC-ESI-MS) 相比，这种快速成像方法可产生具有独特 m/z 测量值的灵敏 MS 分析。对获取的 DESI-IMS 数据进行无监督分割成像分析，可以揭示与捕食和通讯等微生物间现象相对应的不同化学区域。我们通过将 Myxovirescin A 和 DKxanthene-560 分别与其已知的捕食和相变生物学作用联系起来，验证了该方法。除了提供已知天然产物的第一个地形位置外，我们还使用捕食区域内的分割对 54 个未知特征进行优先排序。因此，DESI-IMS 和无监督分割在空间上注释了已知的粘细菌生物学，并为新未表征的小分子提供了功能探索。

图 1. (A) 微生物捕食实验图和光学图像注释。(B) 样品制备方法的视觉表示和采集前的微生物菌落光学图像。

(C) 每种方法的生物重复的 DKxanthene-560 和 lysoPE 16:1 离子图像。

表 1.跨方法的采样指标。

a s/n ≥ 3 的显著特征比较（表 s1）

b 特征强度百分比协方差评估（表 s1）

c 图 1C 中离子图像的视觉比较

图 2. (A) 光学图像、无监督分割结果和使用分割的优先特征的离子叠加。图 s4 显示了离子叠加的特征和分割结果的重复。

(B) 在每个片段的位置提取了六个质谱，位置显示在 PCA 区域中。这些质谱的 PCA 显示了每个片段的离散化学特征。

图 3.(A) 无监督分割结果及输出。(B) 具有已知和未知特征的捕食片段。Myxovirescin A 和 DKxanthene-560 代表已知的次级代谢物，它们验证了黄色片段内的捕食和相位变化。未知物突出了该系统在优先考虑未报告的天然产物方面的应用。

图 4. WT 和 M. xanthus Δta1 菌株及其各自相变体 (PV) 的光学图像、离子叠加图和无监督分割结果。彩色框表示离子叠加图中的特征。