轉(zhuǎn)自 | 中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所

作者 | 籍月彤

單個細(xì)胞是地球上生命體功能和進(jìn)化的基本單元，蘊(yùn)藏著生長發(fā)育、衰老死亡、新陳代謝、信號傳導(dǎo)等眾多奧秘。在單細(xì)胞水平揭示基因與功能的關(guān)聯(lián)，將有助于解析細(xì)胞千差萬別的原因，并識別具有“特異”功能的細(xì)胞與基因。

對于單細(xì)胞分選，目前zui常用的是流式細(xì)胞儀，但其需預(yù)先知道細(xì)胞的表型并加以熒光標(biāo)記，嚴(yán)重限制了可篩選細(xì)胞的范圍。拉曼光譜無需任何標(biāo)記，即可獲取細(xì)胞的種類、狀態(tài)以及所處微環(huán)境等信息，是理想的表型/表型組的評價手段，但由于缺乏與信號復(fù)雜度相匹配的分選方式，而無法用于單細(xì)胞研究。

中科院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞中心研發(fā)的單細(xì)胞拉曼分選儀工程化樣機(jī)——RACS-Mini，成功解決了表型判別與單細(xì)胞分離的兼顧問題，將成為單細(xì)胞水平揭示基因與功能關(guān)聯(lián)的強(qiáng)大工具。

這個拉曼分選儀功能強(qiáng)大，從相遇到相識，從相知到相守，能夠幫你一眼“看透”單細(xì)胞。

在茫茫細(xì)胞海里，只要用RACS照一照，獲得的“拉曼組”信息就能告訴你，哪個是你要找的那個它。該信息無需任何標(biāo)記就可以知道細(xì)胞的種系發(fā)生、生理狀態(tài)，以及所處的微環(huán)境等，因此利用拉曼組可以識別細(xì)胞的種屬分類、代謝水平、對環(huán)境刺激的應(yīng)激反應(yīng)，以及細(xì)胞間互作等表型。

通過單細(xì)胞功能成像我們找到的那個它，如何才能獲得它？根據(jù)細(xì)胞樣品的狀態(tài)和分選通量，RACS配備了一系列拉曼激活單細(xì)胞分選方式。

光鑷液滴分選：水相中利用光鑷力操控目標(biāo)細(xì)胞游向出口，重力推動單細(xì)胞包裹在液滴中實現(xiàn)微觀與宏觀的轉(zhuǎn)換；彈射分選：只需輕輕一彈，目標(biāo)細(xì)胞就乖乖到你碗里了；顯微切割分選：對于大細(xì)胞或形狀不規(guī)則的細(xì)胞，切掉非目標(biāo)細(xì)胞留下你想要的；流式分選：一塊小小的芯片直接實現(xiàn)自動化與高通量的單細(xì)胞分選。通過上述這些分選裝置，就能輕松得到你想要的單細(xì)胞。

為了更深入的研究目標(biāo)細(xì)胞，RACS具有線下和線上兩種方式，對功能單細(xì)胞核酸進(jìn)行提取擴(kuò)增，以建立表型與基因型之間的。

線下方式像一臺分裝機(jī)，將包裹著單細(xì)胞的液滴逐個分布于PCR管中，保證每個PCR管中有且僅有一個細(xì)胞，實現(xiàn)與單細(xì)胞全基因組擴(kuò)增與測序的直接對接；線上方式像一塊樂高積木，整合了單細(xì)胞分裝、試劑注入、細(xì)胞裂解、核酸擴(kuò)增等眾多小模塊于一體，在芯片中直接實現(xiàn)DNA/RNA的微體系擴(kuò)增，具有自動化與批量化處理的優(yōu)勢。

線下式核酸提取擴(kuò)增流程示意圖

在線式核酸提取擴(kuò)增示意及實物圖

為了zui終獲得表型特異的功能單細(xì)胞，RACS還實現(xiàn)了單細(xì)胞的培養(yǎng)和快檢等功能。通過液滴/凝膠微球為每個細(xì)胞提供一個單間，大幅縮短了培養(yǎng)時間，將傳統(tǒng)涂板培養(yǎng)檢測時間從1-2天縮短至幾小時。

在此基礎(chǔ)上發(fā)展的耦合液滴單細(xì)胞包裹和納米微球凝聚的方法，可以在單細(xì)胞水平上直接定量樣品中的微生物，將檢測時間進(jìn)一步縮短至半小時以內(nèi)。

如果RACS是一道安檢門，能夠輕松識別目標(biāo)表型，鎖定功能單細(xì)胞，并把它分離出來進(jìn)一步“解剖”，那么控制整個過程的軟件就是幕后的指揮官，RACS系統(tǒng)目前有三大軟件，單細(xì)胞拉曼自動采集處理軟件（RamLIS），實現(xiàn)細(xì)胞自動定位、采集、處理及表型數(shù)據(jù)存儲等功能；多層次的單細(xì)胞拉曼表型數(shù)據(jù)庫RamDB，以及大規(guī)模、智能化的拉曼組數(shù)據(jù)分析軟件RamEx，輕松搞定數(shù)據(jù)的搜索、比對，以及深度挖掘。

在指揮官的控制下，目前RACS已成功實現(xiàn)原核/真核單細(xì)胞的拉曼表型分析及功能分選。

單細(xì)胞中心具有自主知識產(chǎn)權(quán)的拉曼組耐藥性臨床快檢技術(shù)，能夠不需培養(yǎng)而直接測定單個細(xì)菌細(xì)胞的耐藥性，因此將成為臨床耐藥性快檢和新型抗菌藥物研發(fā)的嶄新手段。同時，拉曼組細(xì)胞儲能物質(zhì)快檢技術(shù)能夠同時快速測定和分選微藻細(xì)胞中淀粉、油脂和蛋白的含量，將成為工業(yè)生產(chǎn)過程在線實時監(jiān)控的有力工具。

此外，單細(xì)胞研究中心與多個企業(yè)與臨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的應(yīng)用合作，示范了RACS在醫(yī)學(xué)快檢、細(xì)胞工廠篩選、生物資源挖掘、生態(tài)過程監(jiān)控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

RACS-Mini正在通過中科院高通量細(xì)胞分析STS網(wǎng)絡(luò)，拓展拉曼組大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，示范針對各種細(xì)胞類型的單細(xì)胞拉曼分選與測序，更好地服務(wù)于細(xì)胞科學(xué)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

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