中國科學家發(fā)明基于拉曼組的生物儲碳含能分子單細胞定量技術(shù)

通過光合作用固定的二氧化碳與太陽能在生物體內(nèi)有三種主要的存儲形式：多糖、油脂和蛋白質(zhì)，共同構(gòu)成了生物碳存儲與生物能源產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，對細胞中這三類高含能儲碳分子的識別、表征和定量極為繁瑣，通常難以在單個細胞精度測量，這限制了光合固碳細胞工廠的篩選與改造效率。中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心發(fā)明了基于“拉曼組”的單細胞快檢技術(shù)，能夠在單個細胞精度同時測量淀粉、甘油三酯、蛋白質(zhì)含量以及油脂不飽和度，為細胞工廠的性能測試平臺增添了嶄新的手段。11月19日，相關(guān)研究工作在線發(fā)表在Biotechnology for Biofuels上。

測定細胞中淀粉、甘油三酯和蛋白質(zhì)的含量通常需要三個并行流程，每個流程都包括細胞培養(yǎng)以積累足夠生物質(zhì)、從生物質(zhì)中提取并分離目標化合物、用特定方法定量目標組分等繁雜的步驟。這些傳統(tǒng)方法遵循著“一個流程檢測一種生物大分子”的模式，既耗時又耗力，而且難以分析生長緩慢或尚未培養(yǎng)的細胞。因此，發(fā)展一種快速、低成本、高通量、同時測定單個細胞中多種儲碳分子的方法具有重要價值。

“拉曼組”（Ramanome）是特定狀態(tài)下，一個細胞群體之單細胞拉曼光譜的集合。研究人員以萊茵衣藻、微擬球藻等為模式，基于拉曼組技術(shù)，建立了同時定量單個細胞中淀粉、蛋白質(zhì)、甘油三酯含量和脂質(zhì)不飽和度的方法（如圖）。由于拉曼組可直接跳過微藻細胞培養(yǎng)擴增，而且在不破壞細胞的前提下于秒級別完成測量，因此篩選速度提高了至少兩個數(shù)量級。在此基礎(chǔ)上，研究人員提出了累積多樣性指數(shù)、累積含量和累積異質(zhì)性、最小取樣深度和最安全取樣深度等新概念，建立了拉曼組取樣深度與表型測量精度的關(guān)聯(lián)，從理論上指導了拉曼組測量參數(shù)的選擇與優(yōu)化。該研究進一步提出，13個特定拉曼峰組合而成的“細胞儲碳譜拉曼識別碼”可靈敏、可靠、高通量地表征單個細胞中的淀粉、蛋白質(zhì)、甘油三酯含量和油脂不飽和度等關(guān)鍵表型，并區(qū)分與揭示細胞中儲碳組分及其相互轉(zhuǎn)化的靜態(tài)與動態(tài)特性。此外，在液體懸浮培養(yǎng)的活細胞、-80℃冷凍保存的濕藻泥和冷凍干燥藻粉等不同細胞保藏狀態(tài)下，測量結(jié)果之間高度一致，因此拉曼組技術(shù)具有應用上的普適性。

合成生物學領(lǐng)域的跨越式進展，在相當程度上取決于“基因型設計”、“基因型合成”、“細胞表型測試”這三大共性技術(shù)平臺的突破。隨著基因組測序與合成在通量與成本上的大幅度改進，“細胞表型測試”這一共性環(huán)節(jié)已成為人工細胞構(gòu)建與生物元件表征的“限速步驟”之一。科研人員提出的拉曼組技術(shù)能夠在單個細胞精度無需標記、非破壞性、快速地識別理論上近乎無限的細胞表型，結(jié)合前期發(fā)明的RADS、RAMS等一系列單細胞流式拉曼分選技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)單細胞功能識別、分選、測序與培養(yǎng)這一“細胞表型測試”完整流程的通量化、儀器化與自動化。因此，拉曼組有望成為具有普適性的新一代細胞功能測試儀器平臺與單細胞表型大數(shù)據(jù)類型，服務于能源、環(huán)境、健康、海洋、生物安全等諸多應用領(lǐng)域的合成生物學研究與產(chǎn)業(yè)。

研究工作獲得了國家自然科學基金委、中科院含碳氣體生物制造等的支持。