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)方法一般極為繁瑣。針對(duì)這一瓶頸，青島能源所單細(xì)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(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僅僅基于一個(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)工作于8月31日發(fā)表于《mBio》。
圖 拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析（IRCA）僅需一個(gè)細(xì)胞群體的一個(gè)狀態(tài)，即可預(yù)測(cè)其代謝物轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)
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(xué)方法。它們通常必須破壞細(xì)胞，每次分析需要大量的細(xì)胞，而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，這導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程非常繁瑣與耗時(shí)。針對(duì)這一瓶頸問(wèn)題，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，其代謝狀態(tài)卻可各不相同，導(dǎo)致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)胞中心何曰輝博士帶領(lǐng)的研究小組提出了命名為“拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析”（Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA）的思路。首先，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。其次，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。最后，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)”。
該研究小組以各種光合微藻為模式，通過(guò)一系列系統(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。這些實(shí)驗(yàn)證明，僅僅需要一個(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至關(guān)重要。
最后，研究人員還通過(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)有望成為一種極為靈敏、信息量豐富的代謝表型組學(xué)數(shù)據(jù)類型，來(lái)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）等核心優(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、生物制造等廣闊領(lǐng)域開辟一系列全新的應(yīng)用。同時(shí)，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。
該工作由單細(xì)胞中心徐健研究員主持完成，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)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。
原文鏈接：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01470-21
Yuehui He, Shi Huang, Peng Zhang, Yuetong Ji, Jian Xu. Intra-Ramanome Correlation Analysis unveils metabolite conversion network from an isogenic population of cells. mBio 2021, 12(4): e01470-21.
