“中科院青岛能源所自主研制出国内外首台高通量流式拉曼分选仪”

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科技日报记者王健高通讯员刘佳

作为生命活动的基本单位，已知各个细胞也是生物进化的基本单位。 因此，单细胞技术推动了生命起源、细胞功能异质性机制、生命暗物质挖掘和利用等行业的一系列重大突破。 单细胞拉曼光谱( scrs )可以非标记、非侵入性、非破坏、全景明确细胞代谢状态。 这是一种基于拉曼光谱的单细胞分选( racs )，因为它在单细胞技术系统中有广阔的应用前景。 但是，拉曼光谱采集长、分选通量低等问题限制了单细胞拉曼分选机( racs )的广泛应用。

对比处理了这些关键瓶颈，中科院青岛能源生物与工艺研究所单细胞中心发明了基于捕获/释放电介质单细胞的拉曼活化液滴分选技术pdep-rads，成功开发了国内外首个高通量流量拉曼分选机制产品原型flowracs 首次利用flowracs演示了基于分子光谱、非标记式、单细胞精度、高通量式的酶活性筛选，为酶资源的检测和挖掘开辟了新的技术路线。 最新的研究成果发表在《科学进展》( science advances )上。

开发第一台高通量流量拉曼分拣机flowracs，服务高通量酶分拣

一个微生物细胞的体积一般只有一个体细胞的千分之一。 在高速液流中，如何比较这种微小的细胞，精确捕获和采集优质的全光谱拉曼，实现高通量筛选，是行业的重点和难点。 与此相反，青岛能源所单细胞中心的王喜先、辛一、任立辉等人率领的研究小组提出了“介电单细胞捕捉/释放拉曼活化液滴分选技术”pdep-rads ( Positive Dielectro Phoresisbase Draman-actraman-ACTT 。通过周期性施加介电电场，高速流动的单细胞被拉曼激光的位点准确捕获，可以采集优质的拉曼光谱，而且单细胞被液滴包裹，通过介电实现目标单细胞微液滴的高通量筛选。

基于这一关键技术的突破，研究人员成功地开发了第一台高通量流量拉曼分选机flowracs。 研究人员使用低拉曼背景石英玻璃作为微芯片基材，为了提高表型检查的普遍性，采用用氧化铟锡(不是非金属)加工电极阵列的先行拉曼检测后的液滴包裹、液滴产生和分选同步进行的方法，使液滴对拉曼信号的收集产生影响 通过提高检测精度、简化系统操作最后自主开发的qspec软件，实现了平台的自动运行。

新陈代谢是一切生命活动的基础，新陈代谢离不开酶的催化作用。 因此，酶是最主要的生物资源之一，也是生物技术产业的重要载体。 例如，甘油三酯( tag )是人体、动物和植物中油脂的主要成分，具有极高的能量储存密度，且几乎所有细胞中都存在。 因为这是自然界的“能量储备货币”。 细胞中tag生物合成的最后一步和限速步是二酰基甘油酰基转移酶( dgats )。 dgats在自然界的功能极其多样，其活性不仅控制着tag产物的合成效率，还控制着饱和度、碳链长度等。 这些理化性质决定了tag的用途和经济价值，例如是否适合养分和生物燃料。 因此，作为油脂分子设计的重要工具，挖掘和筛选dgats具有重大的科学意义和应用价值。

但是，以前流传的dgats筛选方法包括在底盘细胞中表达候选酶基因、细胞扩增培养积累足够的生物量、从生物质中提取、薄层色谱分离tag产物、气相和液相质谱分析分析测定tag中成分等 这个过程一般需要一周的时间，而且很难分解生长缓慢的细胞和还很难培养的细胞。 业界也尝试用尼罗红等荧光染料标记细胞中的油脂，然后用流式细胞仪( facs )筛选细胞，但荧光染料特异性低、难以定量分解、细胞壁对染料的通透性低或无法控制、油脂饱和度无法表现等玻色子

对比这些瓶颈问题，单细胞中心开辟了“另一条路”，提出了利用拉曼为代表的分子光谱筛选酶促反应活性的新思路。 利用flowracs，单细胞中心首次以单一微生物细胞的精度实现了二酰基甘油基转移酶(用人体、动物和植物催化油脂合成)体内活性的非标记式、高通量、高精度、无损筛选。 与微囊藻来源的候选dgat基因库进行比较，通过短短10分钟的flowracs运行，成功获得了3个已报道的强基因和2个未报道的弱基因。 前期根据以前流传的做法，对这三个强功能基因进行了数月的筛选和表征。

与基于生物量提取和质谱分析的细胞内油脂分解方法相比，flowracs的筛选时间、试剂耗材和人工价格仅为1%，大大提高了酶的筛选效率。 与facs相比，flowracs无需对酶的基质和产物进行荧光标记，可以定量表达油脂含量和饱和度等多项重要的酶活性指标，具有更高的检测灵敏度和更宽的动态范围。 另外，虽然可荧光标记的底盘细胞有限，但flowracs适用于任何细胞，对从菌群等尚难以培养的微生物中直接发掘酶和细胞工厂等生物资源有着特别重要的意义。

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