青島能源所等開發(fā)出拉曼介導(dǎo)靶向單細(xì)胞基因組技術(shù)
軍工資源網(wǎng) 2022年10月25日 海洋是地球上最大的活躍碳庫。海洋微生物在全球碳循環(huán)中具有重要作用，而由于大部分海洋微生物尚難以培養(yǎng)、原位代謝功能難以測(cè)量等技術(shù)瓶頸，關(guān)于海洋微生物光合固碳的原位功能機(jī)制等重要問題存在爭議。
中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所與英國牛津大學(xué)、英國謝菲爾德大學(xué)、山東省海洋科學(xué)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(xì)胞基因組（scRACS-Seq）等儀器、手段，揭示了海水中原位進(jìn)行光合固碳的SAR11類群，并發(fā)現(xiàn)它們以視紫紅質(zhì)作為捕光系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)海水中CO2的固定。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《生物設(shè)計(jì)研究》（BioDesign Research）上。
為了識(shí)別海洋微生物組中哪些細(xì)胞在原位固定CO2，青島能源所單細(xì)胞研究中心高級(jí)工程師荊曉艷、助理研究員公衍海和博士徐騰帶領(lǐng)的研究組，利用穩(wěn)定同位素13C標(biāo)記的無機(jī)碳底物飼喂新鮮海水樣品，通過單細(xì)胞拉曼光譜中類胡蘿卜素等色素特征峰的“紅移”現(xiàn)象，建立了在免培養(yǎng)前提下原位固定CO2之單細(xì)胞的識(shí)別和測(cè)量流程?；趩渭?xì)胞中心等研制的scRACS-Seq系統(tǒng)，科研人員建立了針對(duì)CO2固定活性等代謝表型的功能靶向性單細(xì)胞拉曼分選與測(cè)序方法。
運(yùn)用scRACS-Seq體系，該研究在中國山東省青島嶗山灣真光層海水中識(shí)別和分選到一系列進(jìn)行海洋原位固碳代謝的Pelagibacter屬單細(xì)胞（Pelagibacter屬單細(xì)胞來自SAR11等類群）?；赟AR11單細(xì)胞全基因組序列（覆蓋度最高達(dá)到100%）的進(jìn)化分析、基因功能預(yù)測(cè)與代謝途徑重建，研究表明：它們具有完整的類胡蘿卜素合成途徑，印證了上述單細(xì)胞拉曼光譜基于色素峰紅移來識(shí)別和表征CO2固定活性的原理；發(fā)現(xiàn)了基于視紫紅質(zhì)的光激活質(zhì)子泵系統(tǒng)，包括雙加氧酶（Dioxygenase enzyme）、視紫質(zhì)光敏感蛋白（Proteorhodopsin）、F-型ATP合成酶（F-type ATPase）等關(guān)鍵蛋白；它們擁有大部分進(jìn)行CO2固定的Calvin-Benson循環(huán)途徑的基因。研究提示，這些SAR11細(xì)胞可能通過基于視紫紅質(zhì)的光激活質(zhì)子泵系統(tǒng)，來驅(qū)動(dòng)基于Calvin-Benson循環(huán)的海水原位固碳。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究將這些SAR11單細(xì)胞基因組中四個(gè)預(yù)測(cè)為視紫質(zhì)光敏感蛋白的基因在大腸桿菌中進(jìn)行異源表達(dá)。結(jié)果證實(shí)，它們能夠合成視紫質(zhì)且其中的兩個(gè)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(zhì)光敏感蛋白。因此，這些視紫紅質(zhì)介導(dǎo)的光激活質(zhì)子泵系統(tǒng)或是SAR11在海水中原位進(jìn)行光合固碳的能量引擎。
SAR11難以培養(yǎng)且研究工具匱乏，但本研究在單細(xì)胞精度揭示了SAR11的代謝表型組和完整基因組，從而建立了視紫質(zhì)光敏感蛋白和海水原位CO2固定之間的功能關(guān)聯(lián)。這一原創(chuàng)的“拉曼介導(dǎo)靶向單細(xì)胞基因組”（scRACS-Seq）儀器體系，克服了當(dāng)前“拉曼介導(dǎo)靶向元基因組”手段通常難以在單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞精度獲得高覆蓋度基因組的瓶頸，因而對(duì)于環(huán)境中生命暗物質(zhì)的功能探索和機(jī)制解析具有共性的方法學(xué)意義。
研究工作得到國家重大科研儀器研制項(xiàng)目等的支持。
單細(xì)胞精度的海洋微生物組功能靶向性拉曼分選與測(cè)序技術(shù)（scRACS-Seq）