11月2日，記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所獲悉，該所與青島星賽生物科技有限公司等單位合作發(fā)明的單細(xì)胞拉曼耦合培養(yǎng)技術(shù)(scRACS-Culture)，建立了直接從環(huán)境樣品出發(fā)、針對(duì)“原位”代謝功能、單細(xì)胞精度、免培養(yǎng)、免熒光標(biāo)記的活體功能菌株挖掘儀器體系。這一“先篩后養(yǎng)”的scRACS-Culture體系，突破了目前“先養(yǎng)后篩”傳統(tǒng)范式的原理性局限，為微生物組功能探測(cè)與資源挖掘提供了原創(chuàng)的儀器裝備。相關(guān)成果發(fā)表在《自然》子刊《ISME Communications》。

微生物組是自然界最基本、最寶貴的生物資源之一，其代謝功能直接影響著人體微環(huán)境與地球大環(huán)境的健康。因此，從微生物組中挖掘“特定代謝功能”的活體菌株資源，以保護(hù)和修復(fù)各種微生態(tài)系統(tǒng)，一直是業(yè)界孜孜以求的目標(biāo)。

該研究所單細(xì)胞中心徐健研究員介紹，長(zhǎng)期以來(lái)，從環(huán)境乃至人體生態(tài)系統(tǒng)中識(shí)別與獲取活體功能菌株資源，主要遵循“先養(yǎng)后篩”的思路，這導(dǎo)致了3個(gè)原理性缺陷，功能篩選的“片面性”，功能評(píng)價(jià)的“失真性”，菌株培養(yǎng)的“盲目性”。

為了克服這3個(gè)缺陷，該研究所單細(xì)胞中心荊曉艷高級(jí)工程師帶領(lǐng)的研究小組，基于單細(xì)胞中心提出的元拉曼組原理和青島星賽生物有限公司的單細(xì)胞拉曼光鑷分選儀器，發(fā)明了菌群中功能單細(xì)胞“先篩后養(yǎng)”的新策略。首先，從環(huán)境樣品中，不經(jīng)培養(yǎng)而直接根據(jù)單細(xì)胞拉曼光譜來(lái)識(shí)別具特定“原位”代謝功能的目標(biāo)微生物細(xì)胞;其次，基于能夠高度保持細(xì)胞活性的“液相單細(xì)胞拉曼分選耦合培養(yǎng)芯片”(RAGE-Culture芯片)，根據(jù)拉曼光譜來(lái)高效地分選出這些目標(biāo)細(xì)胞，并對(duì)接與代謝表型組信息一一對(duì)應(yīng)、每孔一個(gè)細(xì)胞的并行化單細(xì)胞培養(yǎng)，從而完成基于“原位”代謝功能的活體功能菌評(píng)價(jià)和獲取。上述拉曼分選出來(lái)的功能單細(xì)胞也可以和“液相單細(xì)胞拉曼分選耦合核酸擴(kuò)增芯片”(RAGE-Seq芯片)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)高覆蓋度的單細(xì)胞基因組測(cè)序，支撐完整、精準(zhǔn)的全基因組代謝重建。

磷既是維持作物種植、養(yǎng)活全球人口的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素，也是造成水體污染的重要原因。解磷菌能夠把不可溶磷轉(zhuǎn)化為可溶解態(tài)磷源，因此，挖掘在水體、土壤等環(huán)境中“原位”行使解磷功能的微生物，具有重要的研究意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

荊曉艷介紹，運(yùn)用scRACS-Culture體系，研究小組在青島張村河水務(wù)有限公司的污水處理池中，原位識(shí)別、分選和培養(yǎng)出了高效原位有機(jī)解磷菌。重要的是，其原位解磷活性均比實(shí)驗(yàn)室純培養(yǎng)條件下高出一到兩倍，凸顯了“先篩后養(yǎng)”策略對(duì)菌株“原位”功能認(rèn)知與評(píng)價(jià)的重要意義。

“研究人員運(yùn)用scRACS-Seq，還發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)在污水中原位高效溶解不可溶有機(jī)磷源、在實(shí)驗(yàn)室條件下尚難以純培養(yǎng)的解磷菌新類(lèi)群，它們可以高效溶解和清除污水中的胞外磷酸鹽。”荊曉艷表示，由于scRACS-Culture的功能篩選不依賴(lài)于細(xì)胞純培養(yǎng)，因此能基于“原位”功能、針對(duì)菌群中所有的生物多樣性進(jìn)行挖掘，并精準(zhǔn)聚焦于目標(biāo)功能細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)條件優(yōu)化。這些特色克服了功能篩選片面性、功能評(píng)價(jià)失真性、菌株培養(yǎng)盲目性這三個(gè)傳統(tǒng)“先養(yǎng)后篩”策略的潛在缺陷。

除了免培養(yǎng)、無(wú)需熒光標(biāo)記、活體表征等特色，單細(xì)胞拉曼光譜還具有信息豐富的優(yōu)勢(shì)，能“全景式”地刻畫(huà)底物代謝、產(chǎn)物合成、環(huán)境應(yīng)激等代謝表型組，還可區(qū)分微生物細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞的種類(lèi)，因此scRACS-Culture對(duì)于人體、動(dòng)植物和微生物細(xì)胞資源產(chǎn)業(yè)具有共性方法學(xué)意義。

據(jù)悉，下一步，研究人員將基于流式拉曼分選儀FlowRACS，開(kāi)發(fā)高通量的scRACS-Culture/Seq技術(shù)體系，服務(wù)于規(guī)模化的生命暗物質(zhì)功能探測(cè)和資源挖掘。(科技日?qǐng)?bào)記者 王健高 實(shí)習(xí)記者 宋迎迎 通訊員 劉佳)

標(biāo)簽： 新技術(shù)先篩后養(yǎng) 高效挖掘 微生物組資源 相關(guān)成果