细胞内代谢物之间是否正在发生相互转化，是细胞代谢活动最重要的动态特征之一，但其检测方法繁琐。为此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心提出名为“拉曼组内关联分析”(Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA)的理论框架与算法，并示范了细胞工厂功能测试等方面的应用。在无需标记或破坏细胞的前提下，IRCA仅需基于一个拉曼组数据点(即一个样品的一个状态)，利用其中不同单细胞拉曼光谱的差异，就能推测该状态下的代谢物相互转化网络。相关研究成果于8月31日发表在mBio上。

 

　　传统上，代谢物相互转化网络的构建基于质谱或色谱等代谢组学方法，其通常破坏细胞，每次分析需要大量细胞，且要求基于一系列不同代谢状态的实验样品进行关联比较，导致整个过程十分繁琐。单细胞中心提出了基于“拉曼组”(ramanome)的原创解决方案。拉曼组是一个细胞群体在特定状态下单细胞拉曼光谱的集合，这些单细胞尽管遗传背景与环境条件等均一致，但其代谢状态可各不相同，因此其拉曼光谱之间具有细微但显著的差异。一个“遗传同质性”样品中细胞间具有“代谢异质性”，是生命体系最本质的特性之一。

 

　　利用该本质特性，单细胞中心科研人员提出了“拉曼组内关联分析”(Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA)的思路。一张单细胞拉曼光谱中数百乃至数千的拉曼谱峰中，每个谱峰(或其组合)可潜在代表一个代谢表型，如一类化合物的种类与含量；把每个细胞作为一个独立的生物学重复，在不同细胞之间，将同一位置的谱峰与其它任一谱峰进行两两关联分析，如果发现呈现“负关联”的峰-峰组合，即意味着其对应的两类化合物之间存在相互转化的关系；将该分析拓展到单细胞拉曼光谱中所有可能的峰-峰组合，则能建立一个该状态下之胞内化合物相互转化(或代谢表型相互关联)的“网络”。

 

　　科研人员以各种光合微藻为模式，通过系统性的生物化学与遗传学实验，验证了IRCA预测结果的准确性和可靠性。实验证明，仅需一个样品(即一个拉曼组数据点)中的数十个细胞，通过IRCA算法，就能够揭示该特定条件与时间下，细胞中蛋白、多糖、油脂、色素、核酸等各种储碳物质的相互转化规律。这些规律的快速探测对于光合固碳细胞工厂的筛选与表征十分重要。此外，科研人员还通过IRCA构建了微藻、酵母、大肠杆菌等物种在多种状态下的代谢物转化网络，验证了该方法的广谱适用性，并证明这种名为IRCN(Intra-Ramanome Correlation Network)的网络有望成为一种十分灵敏、信息量丰富的代谢表型组学数据类型，从而定义、表征乃至监测任何细胞体系的代谢功能。

 

　　相对于质谱、色谱等分析手段，IRCA具有超灵敏、快速、高通量、低成本(无需试剂耗材)等优势，因此IRCA将在合成生物学、精准医学、生态监控、生物制造等领域开辟一系列新应用。另外，基于拉曼组概念和单细胞拉曼分选等核心器件的创新，单细胞中心发明和产业化了临床单细胞拉曼药敏快检仪CAST-R、单细胞拉曼分选-测序文库耦合系统RACS-Seq、高通量流式拉曼分选仪FlowRACS等。IRCA将通过这些原创国产的单细胞科学仪器，服务于广大的科学与产业用户。

 

　　研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金的支持。