从种属鉴别到菌株分型，一文了解岛津MALDI-TOF微生物鉴定技术
导读
微生物的快速鉴定与精准分型，是临床致病菌溯源鉴别、食源性致病菌筛查、环境微生物群落监测、产品微生物安全把控的核心技术手段。微生物鉴定技术历经从表型鉴定（形态学观察、生化反应）到基因型鉴定（16S rDNA测序、高通量测序等分子生物学技术），再到蛋白质组学鉴定（如MALDI-TOF）的演进。传统生化及测序方法操作繁琐、耗时长、成本高，难以满足高通量快检需求。MALDI-TOF凭借快速、简便、高通量优势，已成为主流鉴定手段之一，并被2025年版《中国药典》收录，为合规应用提供了法规依据。依托完善的微生物特征指纹图谱数据库及配套分析软件，MALDI-TOF能够实现种属水平的准确鉴定，同时结合数据库聚类分析功能可有效区分高同源性的近缘物种。面对益生菌亚种分型、致病菌株血清分型及基因型鉴别等更高难度的分析挑战，岛津基于MALDI-TOF技术平台，开发出一系列创新应用案例，为微生物检测领域提供高效、精准的系统性解决方案。
岛津MALDI-TOF微生物鉴定系统及应用（MALDI-TOF+微生物数据库）
1 MALDI-TOF微生物种属鉴别原理
MALDI-TOF质谱法是一种基于特征蛋白指纹图谱的微生物快速鉴定技术。将待测微生物与基质制成共结晶，用激光照射使其电离。不同分子量的离子在电场中飞行时间不同，形成特有的质谱峰图，即微生物的“蛋白指纹图谱”。由于核糖体蛋白序列具有种间特异性，通过将实测图谱与数据库中的参考图谱比对，即可在几分钟内完成种水平的精准鉴定。
主流MALDI-TOF微生物质谱系统鉴定流程
2 岛津微生物鉴定质谱系统
岛津提供从仪器到数据库的一体化平台，主要分为iDplus微生物鉴定系统及台式机微生物鉴定系统。
iDplus 微生物鉴定系统
iDplus 微生物鉴定系统是一个基于蛋白质组学的微生物鉴定与研究平台。它由一台落地式MALDI-TOF质谱仪（支持Assurance、Confidence、Performance三种型号）和SARAMIS数据库组成，可用于微生物的快速鉴定，菌株分型，同时支持新建标准谱图及扩充数据中的菌种数量，还可以通过聚类功能进行近源菌株鉴别。
岛津iDplus微生物鉴定系统
台式微生物鉴定系统
岛津台式微生物鉴定系统，由台式MALDI-TOF质谱仪（MALDI-8020/8030系列）搭配国内本土数据库组成。数据库包含细菌、丝状真菌、霉菌等各类微生物，囊括临床、环境、食品安全、制药行业的常见菌株与稀有菌株，同时符合制药行业合规规范。数据库的建库菌株主要为国内本土菌株，与国内用户的鉴定需求更匹配。台式质谱仪体积小巧紧凑，配置200 Hz 355nm固态激光器，操作简单易用，性能媲美传统落地式线性MALDI-TOF质谱仪。
岛津台式微生物鉴定系统
3 MALDI-TOF微生物鉴定代表性案例
微生物鉴定系统的主要应用是菌种鉴定，基于微生物特征指纹数据库，可快速实现食品、环境、临床等领域各类常见微生物菌株的种属鉴别。结合数据库的聚类分析功能，MALDI-TOF质谱法还可以进行高同源近缘物种鉴别。
案例1 种属鉴别——引起食物中毒的唐菖蒲伯克霍尔德菌快速鉴定
唐菖蒲伯克霍尔德菌是引起食物中毒的常见菌株，重症致死率较高。传统生理生化鉴定通常需要3天以上，且准确性有限，而分子生物学方法又面临区分近缘种的挑战。MALDI-TOF质谱技术凭借其快速、准确、成本低的优势，已成为鉴定唐菖蒲伯克霍尔德菌等高威胁致病菌的核心筛查工具，对于纯化菌落，仅需数分钟即可完成检测。有研究对多株疑似菌株进行鉴定，MALDI-TOF与recA基因测序结果完全一致（100%准确率）。
唐菖蒲伯克霍尔德质谱图（左）及鉴定结果（右）
案例2 高同源近缘种鉴别——基于数据库的聚类分析功能识别质谱特征峰
当不同菌种的16S rRNA基因序列同源性超过99%时，传统测序方法很难将它们区分开。例如大肠杆菌与费格森埃希菌的同源性高达98.9-99.7%，极易混淆。MALDI-TOF直接检测菌体全细胞蛋白质，通过微生物鉴定系统软件计算峰匹配率，并结合算法生成聚类树状图用于菌种判别。在涵盖9株大肠杆菌E.coli（同源性99-100%）、费格森埃希菌E.fergusonii（与大肠杆菌同源性98.9-99.7%）及布氏埃希菌E.blattae的测试中，各菌种在聚类分析中均形成独立分支，亲缘关系远近与聚类拓扑结构吻合。该技术有望成为常规方法不足以区分近缘物种时的有力补充工具。
基于MALDI质谱数据的菌株聚类分析图（所有菌株测试两次）
基于MALDI-TOF的亚种鉴别、菌株分型等特色应用
1 亚种鉴别、菌株分型的原理
MALDI-TOF不仅可用于传统菌种鉴定，借助质谱图上亚种特征峰差异，更可精准区分同一菌种下的不同亚种。进一步结合统计分析与特定生物标志物监测，该技术还能有效支撑益生菌亚种质控、临床致病菌血清分型及基因型快速鉴别，显著拓宽了微生物检验的临床与工业价值。
2 MALDI-TOF微生物鉴定特色应用案例
案例1 益生菌亚种分析——Strain Solution软件分析核糖体蛋白特征峰
干酪乳杆菌Lactobacillus casei为常见益生菌，菌群内菌种遗传相似度极高，菌株间质谱峰高度重叠，常规MALDI-TOF难以在亚种水平上实现区分。基于S10-GERMS方法针对约半数核糖体蛋白编码基因所在的S10-spc-alpha操纵子进行测序，与质谱实测峰分子量逐一比对，结合Strain Solution软件实现蛋白峰归属鉴别。核糖体蛋白L36、S19、L22、S11在所有测试菌株中理论质量一致，可作为干酪乳杆菌群特异性标记；而L23、L24、S13等蛋白质量在不同参考菌株间存在差异，可用于区分不同亚种或菌株。
干酪乳杆菌群各模式菌株的质谱图
案例2 致病性菌株血清分型——基于O抗原重复单元分子量差异
大肠杆菌O血清分型传统上依赖抗原-抗体反应，需要超过180种抗血清，成本高昂且操作繁琐。O-抗原是脂多糖（LPS）的组成部分，由多个单糖组成的重复单元线性连接而成。通过计算已知血清型重复单元的理论分子量，并与MALDI-TOF实测重复单元分子量比对，即可实现分型。O157菌株重复单元由多种单糖组成，分子量约699 Da，质谱中呈现间隔约699的峰系列（m/z 1438.9、2137.5、2836.0、3534.6）。O26菌株和O103菌株重复单元分子量分别约537 Da和1003 Da，同样呈现规律性分布。
大肠杆菌O157菌株、O26菌株和O103菌株制备的O抗原多糖样品质谱图
案例3 高致病性菌株基因型鉴别——emm1型A群链球菌分型
近年来，A群链球菌（GAS）引起的侵袭性感染不断增加，其中emm1型致病性最强。传统emm1分型需经培养、分离、PCR扩增和序列分析，耗时约3天。找到emm1型特异性标志峰（m/z 10932），从培养完成到获得结果仅需几十分钟。使用eMSTAT Solution软件进行多变量分析。m/z 10932在全部90个emm1型样本中均被检测到，而在其他类型中均未检出。从培养完成到获得结果仅需几十分钟，比传统方法（约3天）提速数十倍。
A群链球菌emm1型与其他类型菌株的质谱图比较（右上为标志峰局部放大图）
结语
本文结合多个典型案例，全面展示了岛津MALDI-TOF质谱在微生物鉴定领域的应用实践：从食物中毒相关的唐菖蒲伯克霍尔德菌鉴定，到突破16S rRNA同源性限制的近缘种精准区分；从益生菌干酪乳杆菌群的亚种水平分析，到基于O-抗原多糖分型破解大肠杆菌血清分型难题，再到高致病性emm1型链球菌的快速识别。这些方法策略不仅显著提升了鉴定的速度与准确性，更为临床研究、食品安全监测及菌种资源管理等场景提供了坚实的技术支撑。而MALDI-TOF MS的潜力远未止步，其在未来破解更多微生物鉴定挑战中的价值，值得持续期待。
撰稿人：黄成才