面向世界科技前沿,面向国家重大需求,面向国民经济主战场,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

——中国科学院办院方针

首页 > 科研进展

研究提出“拉曼组内关联分析”揭示代谢物转化网络

2021-09-02 青岛生物能源与过程研究所
【字体:

语音播报

  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。

  论文链接

拉曼组内关联分析(IRCA)仅需一个细胞群体的一个状态,即可预测其代谢物转化网络

打印 责任编辑:阎芳

扫一扫在手机打开当前页

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP备05002857号-1 京公网安备110402500047号 网站标识码bm48000002

地址:北京市西城区三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(总值班室)

编辑部邮箱:casweb@cashq.ac.cn

  • © 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP备05002857号-1 京公网安备110402500047号 网站标识码bm48000002

    地址:北京市西城区三里河路52号 邮编:100864

    电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(总值班室)

    编辑部邮箱:casweb@cashq.ac.cn

  • © 1996 - 中国科学院 版权所有
    京ICP备05002857号-1
    京公网安备110402500047号
    网站标识码bm48000002

    地址:北京市西城区三里河路52号 邮编:100864
    电话:86 10 68597114(总机)
       86 10 68597289(总值班室)
    编辑部邮箱:casweb@cashq.ac.cn