科技日报记者 王健高 实习记者 宋迎迎 通讯员 刘佳
11月2日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，该所与青岛星赛生物科技有限公司等单位合作发明的单细胞拉曼耦合培养技术（scRACS-Culture），建立了直接从环境样品出发、针对“原位”代谢功能、单细胞精度、免培养、免荧光标记的活体功能菌株挖掘仪器体系。这一“先筛后养”的scRACS-Culture体系，突破了目前“先养后筛”传统范式的原理性局限，为微生物组功能探测与资源挖掘提供了原创的仪器装备。相关成果发表在《自然》子刊《ISME Communications》。
基于“先筛后养”的策略，单细胞拉曼耦合培养技术和仪器体系（scRACS-Culture）能够全面高效地挖掘微生物组资源 图/刘阳
微生物组是自然界最基本、最宝贵的生物资源之一，其代谢功能直接影响着人体微环境与地球大环境的健康。因此，从微生物组中挖掘“特定代谢功能”的活体菌株资源，以保护和修复各种微生态系统，一直是业界孜孜以求的目标。
该研究所单细胞中心徐健研究员介绍，长期以来，从环境乃至人体生态系统中识别与获取活体功能菌株资源，主要遵循“先养后筛”的思路，这导致了3个原理性缺陷，功能筛选的“片面性”，功能评价的“失真性”，菌株培养的“盲目性”。
为了克服这3个缺陷，该研究所单细胞中心荆晓艳高级工程师带领的研究小组，基于单细胞中心提出的元拉曼组原理和青岛星赛生物有限公司的单细胞拉曼光镊分选仪器，发明了菌群中功能单细胞“先筛后养”的新策略。首先，从环境样品中，不经培养而直接根据单细胞拉曼光谱来识别具特定“原位”代谢功能的目标微生物细胞；其次，基于能够高度保持细胞活性的“液相单细胞拉曼分选耦合培养芯片”（RAGE-Culture芯片），根据拉曼光谱来高效地分选出这些目标细胞，并对接与代谢表型组信息一一对应、每孔一个细胞的并行化单细胞培养，从而完成基于“原位”代谢功能的活体功能菌评价和获取。上述拉曼分选出来的功能单细胞也可以和“液相单细胞拉曼分选耦合核酸扩增芯片”（RAGE-Seq芯片）对接，实现高覆盖度的单细胞基因组测序，支撑完整、精准的全基因组代谢重建。
磷既是维持作物种植、养活全球人口的关键营养元素，也是造成水体污染的重要原因。解磷菌能够把不可溶磷转化为可溶解态磷源，因此，挖掘在水体、土壤等环境中“原位”行使解磷功能的微生物，具有重要的研究意义和产业价值。
荆晓艳介绍，运用scRACS-Culture体系，研究小组在青岛张村河水务有限公司的污水处理池中，原位识别、分选和培养出了高效原位有机解磷菌。重要的是，其原位解磷活性均比实验室纯培养条件下高出一到两倍，凸显了“先筛后养”策略对菌株“原位”功能认知与评价的重要意义。
“研究人员运用scRACS-Seq，还发现了一类在污水中原位高效溶解不可溶有机磷源、在实验室条件下尚难以纯培养的解磷菌新类群，它们可以高效溶解和清除污水中的胞外磷酸盐。”荆晓艳表示，由于scRACS-Culture的功能筛选不依赖于细胞纯培养，因此能基于“原位”功能、针对菌群中所有的生物多样性进行挖掘，并精准聚焦于目标功能细胞进行培养条件优化。这些特色克服了功能筛选片面性、功能评价失真性、菌株培养盲目性这三个传统“先养后筛”策略的潜在缺陷。
除了免培养、无需荧光标记、活体表征等特色，单细胞拉曼光谱还具有信息丰富的优势，能“全景式”地刻画底物代谢、产物合成、环境应激等代谢表型组，还可区分微生物细胞或肿瘤细胞的种类，因此scRACS-Culture对于人体、动植物和微生物细胞资源产业具有共性方法学意义。
据悉，下一步，研究人员将基于流式拉曼分选仪FlowRACS，开发高通量的scRACS-Culture/Seq技术体系，服务于规模化的生命暗物质功能探测和资源挖掘。
