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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(lái)源：青島生物能源與過(guò)程研究所 點(diǎn)擊量：6371

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所單細(xì)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(xì)胞拉曼光譜的差異，能推測(cè)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(xiàng)目成果】細(xì)胞內(nèi)代謝物之間是否正在發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，是細(xì)胞代謝活動(dòng)最重要的動(dòng)態(tài)特征之一，但其檢測(cè)方法繁瑣。為此，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所單細(xì)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(xì)胞工廠功能測(cè)試等方面的應(yīng)用。在無(wú)需標(biāo)記或破壞細(xì)胞的前提下，IRCA僅需基于一個(gè)拉曼組數(shù)據(jù)點(diǎn)(即一個(gè)樣品的一個(gè)狀態(tài))，利用其中不同單細(xì)胞拉曼光譜的差異，就能推測(cè)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(xì)胞，每次分析需要大量細(xì)胞，且要求基于一系列不同代謝狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程十分繁瑣。單細(xì)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(gè)細(xì)胞群體在特定狀態(tài)下單細(xì)胞拉曼光譜的集合，這些單細(xì)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(xì)微但顯著的差異。一個(gè)“遺傳同質(zhì)性”樣品中細(xì)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(xì)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(xì)胞拉曼光譜中數(shù)百乃至數(shù)千的拉曼譜峰中，每個(gè)譜峰(或其組合)可潛在代表一個(gè)代謝表型，如一類化合物的種類與含量；把每個(gè)細(xì)胞作為一個(gè)獨(dú)立的生物學(xué)重復(fù)，在不同細(xì)胞之間，將同一位置的譜峰與其它任一譜峰進(jìn)行兩兩關(guān)聯(lián)分析，如果發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)“負(fù)關(guān)聯(lián)”的峰-峰組合，即意味著其對(duì)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(xì)胞拉曼光譜中所有可能的峰-峰組合，則能建立一個(gè)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(guò)系統(tǒng)性的生物化學(xué)與遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了IRCA預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，僅需一個(gè)樣品(即一個(gè)拉曼組數(shù)據(jù)點(diǎn))中的數(shù)十個(gè)細(xì)胞，通過(guò)IRCA算法，就能夠揭示該特定條件與時(shí)間下，細(xì)胞中蛋白、多糖、油脂、色素、核酸等各種儲(chǔ)碳物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。這些規(guī)律的快速探測(cè)對(duì)于光合固碳細(xì)胞工廠的篩選與表征十分重要。此外，科研人員還通過(guò)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(yàn)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(cè)任何細(xì)胞體系的代謝功能。
 
　　相對(duì)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(wú)需試劑耗材)等優(yōu)勢(shì)，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(xì)胞拉曼分選等核心器件的創(chuàng)新，單細(xì)胞中心發(fā)明和產(chǎn)業(yè)化了臨床單細(xì)胞拉曼藥敏快檢儀CAST-R、單細(xì)胞拉曼分選-測(cè)序文庫(kù)耦合系統(tǒng)RACS-Seq、高通量流式拉曼分選儀FlowRACS等。IRCA將通過(guò)這些原創(chuàng)國(guó)產(chǎn)的單細(xì)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(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、山東省自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
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