拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析（IRCA）僅需一個細胞群體的一個狀態(tài)，即可預(yù)測其代謝物轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)。（單細胞中心供圖）

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。然而，由于其檢測方法極為繁瑣，這一直是細胞內(nèi)代謝物研究的瓶頸之一。

近日，中科院青島生物能源與過程研究所單細胞中心提出了名為“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。相關(guān)工作發(fā)表于mBio。

據(jù)悉，在無需標記或破壞細胞的前提下，“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”算法僅僅基于一個拉曼組數(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)。

記者了解到，代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，傳統(tǒng)上基于質(zhì)譜或色譜等代謝組學方法。它們通常必須破壞細胞，每次分析需要大量的細胞，而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，這導(dǎo)致整個過程非常繁瑣與耗時。此次，單細胞中心提出的“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”算法是基于“拉曼組”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，其代謝狀態(tài)卻各不相同，導(dǎo)致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，單細胞中心博士何曰輝帶領(lǐng)的研究小組提出了命名為“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”的思路。首先，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。其次，把每個細胞作為一個獨立的生物學重復(fù)，在不同細胞之間，將同一位置的譜峰與其他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。最后，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)下細胞內(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)”。

據(jù)介紹，研究小組以各種光合微藻為模式，通過一系列系統(tǒng)性的生物化學與遺傳學實驗，驗證了IRCA預(yù)測結(jié)果的準確性和可靠性。這些實驗證明，僅僅需要一個樣品——即一個拉曼組數(shù)據(jù)點，用樣品中的數(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至關(guān)重要。

最后，研究人員還通過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，并證明這種拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（IRCN，Intra-Ramanome Correlation Network）有望成為一種極為靈敏、信息量豐富的代謝表型組學數(shù)據(jù)類型，來定義、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）等核心優(yōu)勢，因此IRCA將在合成生物學、精準醫(yī)學、生態(tài)監(jiān)控、生物制造等廣闊領(lǐng)域開辟一系列全新的應(yīng)用。同時，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)的單細胞科學儀器，服務(wù)于廣大的科學與產(chǎn)業(yè)用戶。

該工作由單細胞中心研究員徐健主持完成，獲得了國家自然科學基金、中國科學院先導(dǎo)專項、山東省自然科學基金、中國博士后科學基金的支持。

相關(guān)論文信息：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01470-21

來源：中國科學報