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研究提出“拉曼組內關聯分析”揭示代謝物轉化網絡
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：6342
中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心提出名為“拉曼組內關聯分析”的理論框架與算法，利用其中不同單細胞拉曼光譜的差異，能推測該狀態下的代謝物相互轉化網絡。
【化工儀器網 項目成果】細胞內代謝物之間是否正在發生相互轉化，是細胞代謝活動最重要的動態特征之一，但其檢測方法繁瑣。為此，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心提出名為“拉曼組內關聯分析”(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用。在無需標記或破壞細胞的前提下，IRCA僅需基于一個拉曼組數據點(即一個樣品的一個狀態)，利用其中不同單細胞拉曼光譜的差異，就能推測該狀態下的代謝物相互轉化網絡。相關研究成果于8月31日發表在mBio上。
傳統上，代謝物相互轉化網絡的構建基于質譜或色譜等代謝組學方法，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的實驗樣品進行關聯比較，導致整個過程十分繁瑣。單細胞中心提出了基于“拉曼組”(ramanome)的原創解決方案。拉曼組是一個細胞群體在特定狀態下單細胞拉曼光譜的集合，這些單細胞盡管遺傳背景與環境條件等均一致，但其代謝狀態可各不相同，因此其拉曼光譜之間具有細微但顯著的差異。一個“遺傳同質性”樣品中細胞間具有“代謝異質性”，是生命體系最本質的特性之一。
利用該本質特性，單細胞中心科研人員提出了“拉曼組內關聯分析”(Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA)的思路。一張單細胞拉曼光譜中數百乃至數千的拉曼譜峰中，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重復，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聯分析，如果發現呈現“負關聯”的峰-峰組合，即意味著其對應的兩類化合物之間存在相互轉化的關系；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下之胞內化合物相互轉化(或代謝表型相互關聯)的“網絡”。
科研人員以各種光合微藻為模式，通過系統性的生物化學與遺傳學實驗，驗證了IRCA預測結果的準確性和可靠性。實驗證明，僅需一個樣品(即一個拉曼組數據點)中的數十個細胞，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的相互轉化規律。這些規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構建了微藻、酵母、大腸桿菌等物種在多種狀態下的代謝物轉化網絡，驗證了該方法的廣譜適用性，并證明這種名為IRCN(Intra-Ramanome Correlation Network)的網絡有望成為一種十分靈敏、信息量豐富的代謝表型組學數據類型，從而定義、表征乃至監測任何細胞體系的代謝功能。
相對于質譜、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)等優勢，因此IRCA將在合成生物學、精準醫學、生態監控、生物制造等領域開辟一系列新應用。另外，基于拉曼組概念和單細胞拉曼分選等核心器件的創新，單細胞中心發明和產業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RACS-Seq、高通量流式拉曼分選儀FlowRACS等。IRCA將通過這些原創國產的單細胞科學儀器，服務于廣大的科學與產業用戶。
研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、山東省自然科學基金、中國博士后科學基金的支持。
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