通過光合作用固定的二氧化碳與太陽(yáng)能在生物體內(nèi)有三種最主要的存儲(chǔ)形式：多糖、油脂和蛋白質(zhì)，它們共同構(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)。但是目前對(duì)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，而且通常難以在單個(gè)細(xì)胞精度測(cè)量,這一瓶頸限制了光合固碳細(xì)胞工廠的篩選與改造效率。青島能源所單細(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(cè)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(cè)試平臺(tái)增添了一個(gè)嶄新手段。該工作于11月19日在線發(fā)表于Biotechnology for Biofuels。
目前測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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。單細(xì)胞中心何曰輝等以萊茵衣藻、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（圖1）。同時(shí)，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(jí)別完成測(cè)量，因此篩選速度提高了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)量精度的關(guān)聯(lián)，從而從理論上指導(dǎo)了拉曼組測(cè)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(cè)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(cè)試”這三大共性技術(shù)平臺(tái)的突破。其中，隨著基因組測(cè)序與合成在通量與成本上的大幅度改進(jìn)，“細(xì)胞表型測(cè)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。單細(xì)胞中心提出的拉曼組技術(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，而且結(jié)合前期發(fā)明的RADS（Wang, et al, Anal Chem, 2017）、RAMS（Zhang, et al, Anal Chem, 2015）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(cè)序與培養(yǎng)這一“細(xì)胞表型測(cè)試”完整流程的通量化、儀器化與自動(dòng)化。因此，拉曼組有望成為一個(gè)具有普適性的新一代細(xì)胞功能測(cè)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)。
單細(xì)胞中心博士研究生何曰輝和張鵬是論文的共同第一作者。徐健研究員為論文的通訊作者。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院含碳?xì)怏w生物制造等項(xiàng)目的支持。（文/何曰輝 圖/孫明明）
圖1、 拉曼組技術(shù)同時(shí)測(cè)定單個(gè)微藻細(xì)胞中淀粉、蛋白質(zhì)和甘油三酯含量
原文鏈接：
1. He Yuehui, Zhang Peng, Huang Shi, Wang Tingting, Ji Yuetong, Xu Jian: Label-free, Simultaneous Quantification of Starch, Protein and Triacylglycerol in Single Microalgal Cells. Biotechnology for Biofuels 2017, 10:275.
https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-017-0967-x
2. Wang Xixian, Ren Lihui, Su Yetian, Ji Yuetong, Liu Yaoping, Li Chunyu, Li Xunrong, Zhang Yi, Wang Wei, Hu Qiang, Han Danxiang, Xu Jian and Ma Bo,, Raman-activated Droplet Sorting (RADS) for Label-free High-throughput Screening of Microalgal Single-cells, Analytical Chemistry, 2017. DOI:10.1021/acs.analchem.7b03884.
3. Zhang Peiran, Ren Lihui, Zhang Xu, Shan Yufei, Wang Yun, Ji Yuetong, Yin Huabin, Huang Wei E., Xu Jian, Ma Bo, Raman Activated Cell Sorting Based on Dielectrophoretic Single-cell Trap and Release, Analytical Chemistry, 2015, DOI: 10.1021/ac503974e.
