拉曼介導靶向單細胞基因組原創技術研發成功

　單細胞精度的海洋微生物組功能靶向性拉曼分選與測序技術（scRACS-Seq）  劉陽供圖

　　海洋是地球上最大的活躍碳庫，海洋微生物在全球碳循環中起著至關重要的作用，然而由于大部分海洋微生物尚難以培養、原位代謝功能難以測量等技術瓶頸，業界對于海洋微生物光合固碳的原位功能機制等重要問題，仍然存在爭議。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所與英國牛津大學、英國謝菲爾德大學、青島星賽生物、山東省海洋科學研究院等合作，基于CO₂固定活性靶向性的拉曼分選耦合單細胞基因組（scRACS-Seq）等儀器手段，揭示了海水中原位進行光合固碳的SAR11類群，并發現它們以視紫紅質作為捕光系統來驅動海水中CO₂的固定。相關成果已于近日發表在《生物設計研究》。

　　為了識別海洋微生物組中哪些細胞在原位固定CO₂，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心高級工程師荊曉艷、助理研究員公衍海和博士徐騰帶領的研究小組，利用穩定同位素13C標記的無機碳底物飼喂新鮮海水樣品，通過單細胞拉曼光譜中類胡蘿卜素等色素特征峰的“紅移”現象，建立了在免培養前提下原位固定CO₂之單細胞的識別和測量流程。基于單細胞中心與星賽生物聯合研制的scRACS-Seq系統，他們建立了針對CO₂固定活性等代謝表型的功能靶向性單細胞拉曼分選與測序方法。

　　運用該scRACS-Seq體系，研究人員在中國山東省青島嶗山灣真光層海水中，識別和分選到一系列進行海洋原位固碳代謝的Pelagibacter屬單細胞，來自于SAR11等類群。基于這些SAR11單細胞全基因組序列（覆蓋度最高達到100%）的進化分析、基因功能預測與代謝途徑重建，結果表明：一是它們具有完整的類胡蘿卜素合成途徑，這印證了上述單細胞拉曼光譜基于色素峰紅移來識別和表征CO₂固定活性的原理；二是發現了一個基于視紫紅質的光激活質子泵系統，其中包括雙加氧酶（Dioxygenase enzyme）、視紫質光敏感蛋白（Proteorhodopsin）、F-型ATP合成酶（F-type ATPase）等關鍵蛋白；三是它們擁有大部分進行CO₂固定的Calvin-Benson循環途徑的基因。

       這些發現提示，這些SAR11細胞，可能通過基于視紫紅質的光激活質子泵系統，來驅動基于Calvin-Benson循環的海水原位固碳。為了驗證這一假設，研究人員將這些SAR11單細胞基因組中四個預測為視紫質光敏感蛋白的基因在大腸桿菌中進行了異源表達。

       結果證實，它們能夠合成視紫質且其中的兩個基因與GenBank中的基因均無顯著同源性，屬于一類全新的視紫質光敏感蛋白。因此，這些視紫紅質介導的光激活質子泵系統，很可能是SAR11在海水中原位進行光合固碳的能量引擎。

　　SAR11難以培養且研究工具匱乏，本研究在單細胞精度同時揭示了SAR11的代謝表型組和完整基因組，從而建立了視紫質光敏感蛋白和海水原位CO₂固定之間的功能關聯。這一原創的“拉曼介導靶向單細胞基因組”（scRACS-Seq）儀器體系，克服了目前“拉曼介導靶向元基因組”手段通常難以在單個細菌細胞精度獲得高覆蓋度基因組這一瓶頸問題，因此對于環境中生命暗物質的功能探索和機制解析具有共性的方法學意義。

　　該工作由英國牛津大學工程科學系教授黃巍和中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心研究員徐健聯合主持，與英國謝菲爾德大學教授Neil Hunter等團隊合作完成，并得到了國家重大科學儀器研制項目、青島星賽生物等的支持。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.34133/2022/9782712