徐健等提出“拉曼组内关联分析”揭示代谢物转化网络

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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，但其检测方法一般极为繁琐。针对这一瓶颈，青岛能源所单细胞中心提出了名为“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仅仅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。相关工作于8月31日发表于《mBio》。

　　图 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

　　代谢物相互转化网络的构建，传统上基于质谱或色谱等代谢组学方法。它们通常必须破坏细胞，每次分析需要大量的细胞，而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，这导致整个过程非常繁琐与耗时。针对这一瓶颈问题，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，其代谢状态却可各不相同，导致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，单细胞中心何曰辉博士带领的研究小组提出了命名为“拉曼组内关联分析”（Intra-Ramanome Correlation Analysis; IRCA）的思路。首先，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。其次，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。最后，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”。
　　该研究小组以各种光合微藻为模式，通过一系列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。这些实验证明，仅仅需要一个样品（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至关重要。
　　最后，研究人员还通过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极为灵敏、信息量丰富的代谢表型组学数据类型，来定义、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）等核心优势，因此IRCA将在合成生物学、精准医学、生态监控、生物制造等广阔领域开辟一系列全新的应用。同时，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。
　　该工作由单细胞中心徐健研究员主持完成，获得了国家自然科学基金、中国科学院先导专项、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金的支持。（文/何曰辉  图/刘阳）
　　原文链接：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.


       文章来源：青岛能源所
       徐健，中国科学院青岛生物能源与过程所研究员、所长助理、生物能源部主任、单细胞中心主任、基因组工程团队负责人；山东省能源生物遗传资源重点实验室主任。1976年生于福建漳州；1997年北京大学生物技术学士；2003年华盛顿大学计算机科学硕士和生物化学博士；2004-08年于华盛顿大学遗传学系和基因组研究院任基因型组装和分析团队负责人。2008年全职加入中科院青岛生物能源与过程所。任mSystems高级编辑。论文发表于Science、Cell Host Microbe、Nature Commu.等100余篇，被引9000余次。获国家杰出青年基金（2014）、中国青年科技奖（2015）、中源协和生命医学创新突破奖（2016）、“徐健科技领军人才工作室”（山东省科技厅；2016）等荣誉。单细胞中心由来自功能基因组学、合成生物学、微流控科学和生物信息学等学科背景的近60位工作人员和研究生组成。我们主要通过单细胞分析仪器系列（单细胞拉曼分选仪、单细胞拉曼分选测序系统、单细胞拉曼耐药快检仪等）和微生物组数据科学/人工智能工具，探讨微生物组检测与修复人体与环境、以及生物资源高通量筛选的方法学。同时我们在工业微藻合成生物学领域，开发以微拟球藻为模式的规模化光合固碳产油细胞工厂。