微藻是地球上代謝功能最為多樣化的生物類群之一，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，也是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中重要的一類光合細(xì)胞工廠，但是微藻的種質(zhì)鑒定和代謝功能檢測(cè)通常十分繁瑣，而且自然界大部分微藻尚難以培養(yǎng)。近日，青島能源所單細(xì)胞中心發(fā)表了首個(gè)微藻拉曼組數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，示范了單細(xì)胞精度、快速的微藻種類鑒定和代謝功能表征。這一新技術(shù)為微藻細(xì)胞工廠的高效挖掘和篩選提供了一個(gè)免培養(yǎng)、高通量的強(qiáng)有力手段，相關(guān)工作發(fā)表于《分析化學(xué)》（Analytical Chemistry）。
拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)加速微藻種質(zhì)挖掘、服務(wù)“雙碳行動(dòng)”
微藻是在自然界中廣泛存在的單細(xì)胞光合自養(yǎng)生物。它們可將空氣中的二氧化碳高效轉(zhuǎn)化為油脂、碳水化合物、蛋白質(zhì)和色素等高附加值產(chǎn)品，應(yīng)用于第三代生物燃料、飼料、食品和保健品等。因此，“微藻細(xì)胞工廠”有望成為服務(wù)“碳中和”和“碳達(dá)峰”的低碳制造解決方案之一。這一前景的前提和基礎(chǔ)是微藻種質(zhì)資源的快速鑒定和代謝功能檢測(cè)。但是，傳統(tǒng)上“先養(yǎng)后篩”的種質(zhì)篩選策略面臨著培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)、步驟繁多、難以自動(dòng)化，且難以分析尚難培養(yǎng)藻種等諸多瓶頸。
針對(duì)上述瓶頸問(wèn)題，單細(xì)胞中心Mohammadhadi Heidari Baladehi等人開(kāi)發(fā)了一種基于拉曼組的藻類細(xì)胞快速辨別與代謝功能快檢技術(shù)。拉曼組是一個(gè)細(xì)胞群體的單細(xì)胞拉曼光譜的總稱，代表著可以在單細(xì)胞精度快速、低成本、高通量獲取的細(xì)胞群體實(shí)時(shí)代謝狀態(tài)。首先，針對(duì)已獲純培養(yǎng)的藻種，研究人員采集了色素分子拉曼光譜（PS）和微藻細(xì)胞自身拉曼光譜（WS）這兩張譜圖，構(gòu)建了首個(gè)藻類拉曼組數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含了在不同生長(zhǎng)期（穩(wěn)定期和指數(shù)期）、分屬27個(gè)微藻種屬的超過(guò)9000個(gè)單細(xì)胞的拉曼光譜。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)PS和WS的聯(lián)用，來(lái)辨別待測(cè)單細(xì)胞的藻種和生長(zhǎng)狀態(tài)，準(zhǔn)確率可達(dá)97%。
其次，針對(duì)環(huán)境中的尚難培養(yǎng)的藻類細(xì)胞，研究人員借助前期發(fā)明的單細(xì)胞拉曼分選技術(shù)來(lái)捕獲活性藻類單細(xì)胞，從而采集其PS和WS這兩張拉曼譜圖，進(jìn)而結(jié)合下游單細(xì)胞測(cè)序，建立了環(huán)境中微藻單細(xì)胞代謝表型組和基因型的關(guān)聯(lián)。該方法不需分離培養(yǎng)，即可構(gòu)建環(huán)境中任何微藻細(xì)胞的拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而基于機(jī)器學(xué)習(xí)，支撐尚難培養(yǎng)藻種的快速鑒定和代謝功能檢測(cè)。
此外，除了種質(zhì)辨別，單細(xì)胞拉曼光譜還能揭示微藻利用二氧化碳后的碳源存儲(chǔ)形式（如油脂、淀粉、蛋白、色素等），以及它們的含量和化學(xué)性質(zhì)（如油脂的不飽和度等）。這些代謝表型信息，對(duì)于快速評(píng)估微藻種質(zhì)的培養(yǎng)工藝、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用潛力至關(guān)重要。
與傳統(tǒng)上依賴于培養(yǎng)的“先養(yǎng)后篩”的策略不同，這一基于拉曼組的種質(zhì)篩選策略無(wú)需培養(yǎng)與擴(kuò)繁細(xì)胞，既節(jié)約了大量時(shí)間和人工，也能夠挖掘和篩選尚難培養(yǎng)的微藻細(xì)胞。同時(shí)，針對(duì)每個(gè)微藻細(xì)胞，拉曼光譜的采集通常僅需數(shù)秒的時(shí)間，且無(wú)需破壞細(xì)胞，故而步驟簡(jiǎn)潔、分析通量高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還能在單細(xì)胞精度同時(shí)探測(cè)從代謝表型組到基因組的全面信息。因此，這一新技術(shù)將大大加速微藻細(xì)胞工廠及其代謝產(chǎn)物的挖掘與利用。
氣候變化是人類面臨的全球性問(wèn)題，二氧化碳排放量超標(biāo)和溫室氣體的激增嚴(yán)重威脅地球生命系統(tǒng)。我國(guó)于2020年正式提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，今年兩會(huì)上碳達(dá)峰、碳中和被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告。微藻作為一種天然的固碳細(xì)胞工廠，將在雙碳行動(dòng)這場(chǎng)硬仗中發(fā)揮重要作用。針對(duì)工業(yè)產(chǎn)油微藻（微擬球藻；Nannochloropsis spp.），單細(xì)胞中心前期已經(jīng)發(fā)表了基因敲低技術(shù)、基因編輯技術(shù)、染色體大片段切除技術(shù)等特色遺傳操作工具，并組織了“微擬球藻設(shè)計(jì)與合成”國(guó)際合作計(jì)劃（NanDeSyn ），推動(dòng)國(guó)內(nèi)外工業(yè)微藻研究與產(chǎn)業(yè)群體的資源共享與技術(shù)合作。此次首個(gè)微藻拉曼組數(shù)據(jù)庫(kù)及其機(jī)器學(xué)習(xí)手段的發(fā)表，將加速新一代微藻資源信息平臺(tái)的構(gòu)建和共享，促進(jìn)藻類為“雙碳行動(dòng)”做出特色貢獻(xiàn)。
該工作由單細(xì)胞中心徐健研究員主持完成，得到了單細(xì)胞中心馬波研究員、深圳大學(xué)胡強(qiáng)教授和上海師范大學(xué)王全喜教授的幫助，并獲得了中國(guó)科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、山東能源研究院、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等的支持。（文/崔曉輝 圖/劉陽(yáng)）
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c01015
<SPAN lang=EN-US style='"Times New Roman",serif; Mohammadhadi Heidari Baladehi, Maryam Hekmatara, Yuehui He, Yogendra Bhaskar, Zengbin Wang, Lu Liu, Yuetong Ji, and Jian Xu*. Culture-Free Identification and Metabolic Profiling of Microalgal Single Cells via Ensemble Learning of Ramanomes. Analytical Chemistry, 2021. </SPAN></P> </div></body></html>
