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    瞪你一眼,就能“看透”你

    发布时间:2018-4-13

    单个细胞是地球上生命体功能和进化的基本单元,蕴藏着生长发育、衰老死亡、新陈代谢、信号传导等众多奥秘。在单细胞水平揭示基因与功能的关联,将有助于解析细胞千差万别的原因,并识别具有“特异”功能的细胞与基因。


    对于单细胞分选,目前最常用的是流式细胞仪,但其需预先知道细胞的表型并加以荧光标记,严重限制了可筛选细胞的范围。拉曼光谱无需任何标记,即可获取细胞的种类、状态以及所处微环境等信息,是理想的表型/表型组的评价手段,但由于缺乏与信号复杂度相匹配的分选方式,而无法用于单细胞研究。


    中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心最新研发的单细胞拉曼分选仪工程化样机——RACS-Mini,成功解决了表型判别与单细胞分离的兼顾问题,将成为单细胞水平揭示基因与功能关联的强大工具。


    这个拉曼分选仪功能强大,从相遇到相识,从相知到相守,能够帮你一眼“看透”单细胞。


    茫茫细胞海,哪个才是你要找的它?——单细胞功能成像


    在茫茫细胞海里,只要用RACS照一照,获得的“拉曼组”信息就能告诉你,哪个是你要找的那个它。该信息无需任何标记就可以知道细胞的种系发生、生理状态,以及所处的微环境等,因此利用拉曼组可以精准识别细胞的种属分类、代谢水平、对环境刺激的应激反应,以及细胞间互作等表型。


    好容易找到它,如何得到它?——单细胞拉曼分选


    通过单细胞功能成像我们找到的那个它,如何才能获得它?根据细胞样品的状态和分选通量,RACS配备了一系列拉曼激活单细胞分选方式。


    光镊液滴分选:水相中利用光镊力操控目标细胞游向出口,重力推动单细胞包裹在液滴中实现微观与宏观的转换;弹射分选:只需轻轻一弹,目标细胞就乖乖到你碗里了;显微切割分选:对于大细胞或形状不规则的细胞,切掉非目标细胞留下你想要的;流式分选:一块小小的芯片直接实现自动化与高通量的单细胞分选。通过上述这些分选装置,就能轻松得到你想要的单细胞。


    终于相遇了,怎么相知呢?——单细胞组学研究


    为了更深入的研究目标细胞,RACS具有线下和线上两种方式,对功能单细胞核酸进行提取扩增,以建立表型与基因型之间的联系。


    线下方式像一台分装机,将包裹着单细胞的液滴逐个分布于PCR管中,保证每个PCR管中有且仅有一个细胞,实现与单细胞全基因组扩增与测序的直接对接;线上方式像一块乐高积木,整合了单细胞分装、试剂注入、细胞裂解、核酸扩增等众多小模块于一体,在芯片中直接实现DNA/RNA的微体系扩增,具有自动化与批量化处理的优势。


    线下式核酸提取扩增流程示意图




    Happy Ending: 相守到永远——单细胞培养


    为了最终获得表型特异的功能单细胞,RACS还实现了单细胞的培养和快检等功能。通过液滴/凝胶微球为每个细胞提供一个单间,大幅缩短了培养时间,将传统涂板培养检测时间从1-2天缩短至几小时。


    在此基础上发展的耦合液滴单细胞包裹和纳米微球凝聚的方法,可以在单细胞水平上直接定量样品中的微生物,将检测时间进一步缩短至半小时以内。


    感谢幕后大boss——控制/分析软件


    如果RACS是一道安检门,能够轻松识别目标表型,锁定功能单细胞,并把它分离出来进一步“解剖”,那么控制整个过程的软件就是幕后的指挥官,RACS系统目前有三大软件,单细胞拉曼自动采集处理软件(RamLIS),实现细胞自动定位、采集、处理及表型数据存储等功能;多层次的单细胞拉曼表型数据库RamDB,以及大规模、智能化的拉曼组数据分析软件RamEx,轻松搞定数据的搜索、比对,以及深度挖掘。


    在指挥官的控制下,目前RACS已成功实现原核/真核单细胞的拉曼表型分析及功能分选。



    单细胞中心具有自主知识产权的拉曼组耐药性临床快检技术,能够不需培养而直接测定单个细菌细胞的耐药性,因此将成为临床耐药性快检和新型抗菌药物研发的崭新手段。同时,拉曼组细胞储能物质快检技术能够同时快速测定和分选微藻细胞中淀粉、油脂和蛋白的含量,将成为工业生产过程在线实时监控的有力工具。


    此外,单细胞研究中心与多个企业与临床机构进行了深入的应用合作,示范了RACS在医学快检、细胞工厂筛选、生物资源挖掘、生态过程监控等领域的广泛应用。


    RACS-Mini正在通过中科院高通量细胞分析STS网络,拓展拉曼组大数据网络,示范针对各种细胞类型的单细胞拉曼分选与测序,更好地服务于细胞科学与生物技术产业。


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