中國科學(xué)家發(fā)明基于拉曼組的生物儲(chǔ)碳含能分子單細(xì)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(chǔ)形式：多糖、油脂和蛋白質(zhì)，共同構(gòu)成了生物碳存儲(chǔ)與生物能源產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，對細(xì)胞中這三類高含能儲(chǔ)碳分子的識(shí)別、表征和定量極為繁瑣，通常難以在單個(gè)細(xì)胞精度測量，這限制了光合固碳細(xì)胞工廠的篩選與改造效率。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞中心發(fā)明了基于“拉曼組”的單細(xì)胞快檢技術(shù)，能夠在單個(gè)細(xì)胞精度同時(shí)測量淀粉、甘油三酯、蛋白質(zhì)含量以及油脂不飽和度，為細(xì)胞工廠的性能測試平臺(tái)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(xì)胞中淀粉、甘油三酯和蛋白質(zhì)的含量通常需要三個(gè)并行流程，每個(gè)流程都包括細(xì)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(biāo)化合物、用特定方法定量目標(biāo)組分等繁雜的步驟。這些傳統(tǒng)方法遵循著“一個(gè)流程檢測一種生物大分子”的模式，既耗時(shí)又耗力，而且難以分析生長緩慢或尚未培養(yǎng)的細(xì)胞。因此，發(fā)展一種快速、低成本、高通量、同時(shí)測定單個(gè)細(xì)胞中多種儲(chǔ)碳分子的方法具有重要價(jià)值。

“拉曼組”（Ramanome）是特定狀態(tài)下，一個(gè)細(xì)胞群體之單細(xì)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(shí)定量單個(gè)細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增，而且在不破壞細(xì)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(gè)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(dǎo)了拉曼組測量參數(shù)的選擇與優(yōu)化。該研究進(jìn)一步提出，13個(gè)特定拉曼峰組合而成的“細(xì)胞儲(chǔ)碳譜拉曼識(shí)別碼”可靈敏、可靠、高通量地表征單個(gè)細(xì)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(xì)胞中儲(chǔ)碳組分及其相互轉(zhuǎn)化的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。此外，在液體懸浮培養(yǎng)的活細(xì)胞、-80℃冷凍保存的濕藻泥和冷凍干燥藻粉等不同細(xì)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(yīng)用上的普適性。

合成生物學(xué)領(lǐng)域的跨越式進(jìn)展，在相當(dāng)程度上取決于“基因型設(shè)計(jì)”、“基因型合成”、“細(xì)胞表型測試”這三大共性技術(shù)平臺(tái)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(jìn)，“細(xì)胞表型測試”這一共性環(huán)節(jié)已成為人工細(xì)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(gè)細(xì)胞精度無需標(biāo)記、非破壞性、快速地識(shí)別理論上近乎無限的細(xì)胞表型，結(jié)合前期發(fā)明的RADS、RAMS等一系列單細(xì)胞流式拉曼分選技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞功能識(shí)別、分選、測序與培養(yǎng)這一“細(xì)胞表型測試”完整流程的通量化、儀器化與自動(dòng)化。因此，拉曼組有望成為具有普適性的新一代細(xì)胞功能測試儀器平臺(tái)與單細(xì)胞表型大數(shù)據(jù)類型，服務(wù)于能源、環(huán)境、健康、海洋、生物安全等諸多應(yīng)用領(lǐng)域的合成生物學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)。

研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金委、中科院含碳?xì)怏w生物制造等的支持。