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研究提出“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”揭示代謝物轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)
2021年09月02日 11:16:50 來源：青島生物能源與過程研究所 點擊量：6389

中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細胞中心提出名為“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”的理論框架與算法，利用其中不同單細胞拉曼光譜的差異，能推測該狀態(tài)下的代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)。

　　【化工儀器網(wǎng) 項目成果】細胞內(nèi)代謝物之間是否正在發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，是細胞代謝活動最重要的動態(tài)特征之一，但其檢測方法繁瑣。為此，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細胞中心提出名為“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”(Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA)的理論框架與算法，并示范了細胞工廠功能測試等方面的應(yīng)用。在無需標(biāo)記或破壞細胞的前提下，IRCA僅需基于一個拉曼組數(shù)據(jù)點(即一個樣品的一個狀態(tài))，利用其中不同單細胞拉曼光譜的差異，就能推測該狀態(tài)下的代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究成果于8月31日發(fā)表在mBio上。
 
　　傳統(tǒng)上，代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建基于質(zhì)譜或色譜等代謝組學(xué)方法，其通常破壞細胞，每次分析需要大量細胞，且要求基于一系列不同代謝狀態(tài)的實驗樣品進行關(guān)聯(lián)比較，導(dǎo)致整個過程十分繁瑣。單細胞中心提出了基于“拉曼組”(ramanome)的原創(chuàng)解決方案。拉曼組是一個細胞群體在特定狀態(tài)下單細胞拉曼光譜的集合，這些單細胞盡管遺傳背景與環(huán)境條件等均一致，但其代謝狀態(tài)可各不相同，因此其拉曼光譜之間具有細微但顯著的差異。一個“遺傳同質(zhì)性”樣品中細胞間具有“代謝異質(zhì)性”，是生命體系最本質(zhì)的特性之一。
 
　　利用該本質(zhì)特性，單細胞中心科研人員提出了“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”(Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA)的思路。一張單細胞拉曼光譜中數(shù)百乃至數(shù)千的拉曼譜峰中，每個譜峰(或其組合)可潛在代表一個代謝表型，如一類化合物的種類與含量；把每個細胞作為一個獨立的生物學(xué)重復(fù)，在不同細胞之間，將同一位置的譜峰與其它任一譜峰進行兩兩關(guān)聯(lián)分析，如果發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)“負關(guān)聯(lián)”的峰-峰組合，即意味著其對應(yīng)的兩類化合物之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系；將該分析拓展到單細胞拉曼光譜中所有可能的峰-峰組合，則能建立一個該狀態(tài)下之胞內(nèi)化合物相互轉(zhuǎn)化(或代謝表型相互關(guān)聯(lián))的“網(wǎng)絡(luò)”。
 
　　科研人員以各種光合微藻為模式，通過系統(tǒng)性的生物化學(xué)與遺傳學(xué)實驗，驗證了IRCA預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。實驗證明，僅需一個樣品(即一個拉曼組數(shù)據(jù)點)中的數(shù)十個細胞，通過IRCA算法，就能夠揭示該特定條件與時間下，細胞中蛋白、多糖、油脂、色素、核酸等各種儲碳物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。這些規(guī)律的快速探測對于光合固碳細胞工廠的篩選與表征十分重要。此外，科研人員還通過IRCA構(gòu)建了微藻、酵母、大腸桿菌等物種在多種狀態(tài)下的代謝物轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)，驗證了該方法的廣譜適用性，并證明這種名為IRCN(Intra-Ramanome Correlation Network)的網(wǎng)絡(luò)有望成為一種十分靈敏、信息量豐富的代謝表型組學(xué)數(shù)據(jù)類型，從而定義、表征乃至監(jiān)測任何細胞體系的代謝功能。
 
　　相對于質(zhì)譜、色譜等分析手段，IRCA具有超靈敏、快速、高通量、低成本(無需試劑耗材)等優(yōu)勢，因此IRCA將在合成生物學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、生態(tài)監(jiān)控、生物制造等領(lǐng)域開辟一系列新應(yīng)用。另外，基于拉曼組概念和單細胞拉曼分選等核心器件的創(chuàng)新，單細胞中心發(fā)明和產(chǎn)業(yè)化了臨床單細胞拉曼藥敏快檢儀CAST-R、單細胞拉曼分選-測序文庫耦合系統(tǒng)RACS-Seq、高通量流式拉曼分選儀FlowRACS等。IRCA將通過這些原創(chuàng)國產(chǎn)的單細胞科學(xué)儀器，服務(wù)于廣大的科學(xué)與產(chǎn)業(yè)用戶。
 
　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、山東省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金的支持。
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