微生物及其合成的各種酶支撐著生物圈中較多關(guān)鍵的生態(tài)過程。在環(huán)境中高效識別與挖掘具有特定原位代謝功能的細胞和酶是微生物組科學(xué)與產(chǎn)業(yè)的熱點。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所聯(lián)合自然資源部第一海洋研究所、山東大學(xué)等，開發(fā)了熒光原位雜交介導(dǎo)的拉曼激活單細胞分選與測序（FISH-scRACS-seq）技術(shù)。該技術(shù)能夠“物種-代謝”雙靶向性在環(huán)境樣品中直接識別和挖掘功能單細胞及其編碼的酶資源。研究利用這一技術(shù)，識別和分選出海洋中活躍降解環(huán)烷烴的γ-變形菌，進而通過其單細胞全基因組序列發(fā)現(xiàn)了一類在全球低溫海洋中降解環(huán)烷烴的P450酶。FISH-scRACS-seq技術(shù)能夠在全生態(tài)系統(tǒng)范圍，以單個菌體的精度，建立生態(tài)過程特征、細胞原位代謝能力、全基因組序列、代謝途徑、酶催化功能五個生命尺度之間的關(guān)聯(lián)機制，為微生物及其酶資源的發(fā)現(xiàn)和挖掘開辟了新的技術(shù)路線。相關(guān)研究成果發(fā)表在《創(chuàng)新》（The Innovation）上。
該研究開發(fā)出“雙管齊下”的FISH-scRACS-seq技術(shù)。這一技術(shù)利用熒光原位雜交，基于熒光標(biāo)記的物種靶向性DNA序列雜交探針，識別出菌群中目標(biāo)物種的微生物細胞。在此基礎(chǔ)上，研究通過單細胞拉曼光譜表征這些目標(biāo)物種細胞的原位代謝功能，進而“物種-代謝”雙靶向、一一對應(yīng)地分選出目標(biāo)物種和目標(biāo)代謝功能的單細胞并測定其全基因組序列，解析其代謝機制并獲取基因組上編碼的功能元件。
該研究通過純培養(yǎng)混菌體系和復(fù)雜土壤菌群，驗證了FISH-scRACS-seq技術(shù)的特異性和靈敏度。研究顯示，經(jīng)熒光原位雜交和單細胞拉曼信號采集、雙靶向分選出的目標(biāo)功能單細胞，其基因組覆蓋度最高可達99.14%。這樣高覆蓋度對該基因組窮盡式挖掘，能夠解釋和支撐這一細胞原位代謝功能的酶基因或調(diào)控元件的重要性。
進一步，該研究從渤海天然氣凝析油田附近的海水出發(fā)，針對γ-變形菌的基因組設(shè)計了FISH探針。同時，研究通過環(huán)己烷飼喂耦合重水代謝示蹤、熒光成像、拉曼成像和單細胞拉曼分選，測定并分選出展現(xiàn)原位降解環(huán)己烷代謝能力的γ-變形菌細胞，解析其單細胞基因組。同時，研究發(fā)現(xiàn)了原位高效降解環(huán)己烷的假交替單胞菌。這是首次發(fā)現(xiàn)假交替單胞菌具有降解環(huán)己烷“超能力”。
基因組分析表明，這種假交替單胞菌利用新型細胞色素P450酶系統(tǒng)（P450PsFu）來降解環(huán)己烷分子。體外酶活實驗和氣相色譜-質(zhì)譜分析顯示，該酶系統(tǒng)能夠在體外將環(huán)己烷（有生物毒性）轉(zhuǎn)化為環(huán)己醇（無生物毒性）。這是環(huán)烷烴降解的第一步也是限速步驟。P450PsFu是未知的且具有降解環(huán)己烷催化活性的P450酶。這類酶在全球海洋微生物組中雖然少見、相對含量很低，卻具全球分布特征且多出現(xiàn)在極地等低溫海域。
這些原位降解環(huán)烷烴的微生物與酶的發(fā)現(xiàn)，拓展了低溫海洋生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)烷烴降解的認知視角，為烴類污染海洋環(huán)境的生物修復(fù)提供了新資源。這表明，F(xiàn)ISH-scRACS-seq技術(shù)與上游微生物組關(guān)聯(lián)分析結(jié)合，為建立生態(tài)過程特征到細胞與酶的催化功能之間的關(guān)聯(lián)機制，提供了有共性應(yīng)用價值的解決方案。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。
利用FISH-scRACS-Seq技術(shù)剖析并挖掘微生物組功能
