科技日报记者 宋迎迎
4月21日，科技日报记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称“青岛能源所”）获悉，该所单细胞中心联合清华大学、中国农业科学院等单位，创新性地将过程拉曼组技术引入发酵过程监控。该方法犹如装上一双“透视眼”，能即时监测工业发酵罐内细胞代谢功能的变化，快速获取单细胞精度的多项关键指标。相关研究近日发表在国际学术期刊《生物技术趋势》上。
作为封闭的生物反应器，发酵罐可合成各种生物聚合物。如何穿透这个黑箱实时监测细胞的代谢功能，长期困扰着生物制造行业。针对细胞中生物聚合物含量与单体组成等关键代谢指标，传统过程分析手段通常需要从罐中取样、送回实验室，经过烦琐的前处理和色谱/质谱分析后才有答案，滞后严重。而且，这些滞后的数据通常检测的是数百万细胞的群体平均值，无法精确鉴别各个细胞代谢亚群乃至单个细胞的真实贡献。
针对这一行业瓶颈，研究团队提出将过程拉曼组技术引入发酵过程监控。他们通过单细胞拉曼光谱直接读取单细胞生化指纹图谱，在12分钟内即可同时获取单细胞精度的“正合成什么聚合物、含量多少、单体比例”等多项关键指标。这一策略将传统两天的检测周期压缩至分钟级，且能定量监控细胞代谢异质性变化，从而指导发酵过程的理性调控。
聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类可生物合成的聚酯类聚合物。研究过程中，科研团队建立了过程拉曼组技术平台，实现了PHA生产过程在单细胞精度、免荧光标记的代谢表型组监测，且可在单细胞水平同时定量总PHA含量及其单体组成，精度与传统气相色谱方法相当。
青岛能源所张佳副研究员介绍，目前，5000升工业发酵罐实测已验证了过程拉曼组技术的工业应用价值。此外，研究团队还针对酿酒酵母合成蛋白、红球菌合成油脂等多种底盘、多种产品，验证了过程拉曼组技术平台的广谱应用价值。
下一步，相关方将协同采集并比较针对典型工业发酵场景的过程拉曼组数据，合作建立新一代发酵过程质检质控体系。
（研究团队供图）
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