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星赛仪器服务双碳工程:蓝光超级微藻分子育种和过程监控中的拉曼组

2022.04.02

3月29日,青岛能源所单细胞中心在Nature Communications发表论文,于工业产油微藻(微拟球藻)中发现一种蓝光特异性诱导的油脂合成调控机制,并基于此发明了“蓝光诱导产油”(BLIO;Blue-Light Induced Oil synthesis)这一全新的“光控”高产油技术,结合“蓝光超级微藻”的构建,将峰值油脂生产率提高了一倍。星赛生物RACS-Seq(单细胞拉曼分选-测序文库构建耦合系统),基于单细胞精度的代谢表型组快检,对该研究中的藻株代谢表型检测和培养过程监控,起到了关键性的支撑作用。


小微藻 大能量  “蓝光超级微藻”之诞生

微藻用于生物燃料生产具有重要特色,但距离产业落地仍有距离,而提高自养条件下的微藻细胞油脂产率尤为关键。针对上述瓶颈,单细胞中心张鹏博士、辛一副研究员带领的科研小组在建立“蓝光诱导产油”(BLIO;Blue-Light Induced Oil synthesis)这一全新的“光控”高产油技术中,利用RACS-Seq中的单细胞拉曼分析模块,完成了对“蓝光超级微藻”等工程藻株的快速代谢表型分析和过程监控。


甘油三酯(TAG)俗称动物脂肪和植物油,也是微藻通过光合作用以CO₂为原料合成的“藻油”的主要成分。传统的细胞TAG含量测定方法,包括细胞培养(以积累足够生物质)、从生物质中提取并分离目标化合物、用特定方法定量目标组分等步骤。这不仅需要大量细胞,且耗时耗力、成本很高,极大地限制了种质筛选和过程监控的效率。


基于拉曼组(ramanome)原理,中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心团队前期发明了无需标记、无损、高通量的活体单细胞TAG含量测定技术,实现了在单细胞精度表征微藻细胞群体产油的动态过程,定量揭示了油脂含量和不饱和度等关键性状在细胞之间的异质性。同时,拉曼组还可在单细胞精度鉴别种质,并同时测量底物代谢、物质合成、代谢物互作网络、环境应激、物种间互作等信息丰富的代谢表型组。

 

强筛选 精监控  RACS-Seq支撑光合细胞工厂测试

在建立BLIO技术的过程中,RACS-Seq主要服务了两方面的应用。


首先,大量微藻工程株的代谢表型“初筛”:本研究共涉及两个基因(NobZIP77、NoDGAT2B)、五种基因工程手段(敲低、过表达、敲除、回补、多基因编辑)产生的对照与工程株等至少20个类型的藻株。在“初筛”阶段,每个类型的工程株均需从约12个工程株中进行筛选,因此需要培养和表征TAG含量和化学性质的藻株总共超过240株(每株涉及到若干个拉曼组的采集)。RACS-Seq及其附带的RamEx软件系统,只需要测量几十个细胞的单细胞拉曼光谱(即一个拉曼组数据点),就能解析一个微藻样品的代谢表型及其异质性,而且测量过程中不需要破坏细胞,因此大幅加速了藻株“产油”性状的表征与筛选。

 

其次,重点微藻工程株的产油过程“精细”监控:在上述工作的基础上,需要对在“初筛”中表现突出的若干重点工程株,在多种培养条件(有氮/缺氮、蓝光/绿光/白光/黑暗、突变株/野生型,以及各种因素的交叉组合)、多个时间点(为期16天的全过程)进行精细的产油过程监控。在此方面,RACS-Seq具有每次测量消耗的细胞数目极少、测量的时空分辨率高、可同时测量多种代谢表型、可定量、耗材成本低廉等优势,尤其适用于多工程株、多条件、多时间点的过程监控和相互比较。

星赛生物RACS-Seq服务微藻代谢表型检测和培养过程监控


分析效率高

针对单个样品,使用传统方法,TAG含量的测定与分析需要经过冻干藻粉、藻粉研磨、总脂提取、总脂定量、TAG分离、TAG提取、转甲酯、GC-MS测量与分析等步骤,需要花费4天左右的时间。而通过RACS-Seq,可将时间缩短至1小时,因此总体效率可提高近百倍。


针对经过初筛后的每一株蓝光超级微藻,其精细表型鉴定和过程监控共包括72个样品(涉及2种培养策略、12个时间点以及3个生物学重复的交叉组合的72个拉曼组),考虑到并行化,传统方法约需半个月;而通过RACS-Seq可将时间缩短至1-2天,总体效率提高了10-20倍。


样品起始量低

传统方法每个样品需收集约30 mL的藻液,12个时间点则需准备至少360 mL的藻液,故要求使用大容量光反应器(1000 mL培养柱)。而RACS-Seq每个样品只需收集约1 mL藻液,故实验可在小巧的光生物反应器中进行(100 mL或更小的培养体系)。这大幅度降低了微藻培养的时间成本和耗材成本,也大幅提高了分析的时空分辨率。


代谢表型分析更全面

RACS-Seq在测定单细胞TAG含量的同时,还可以“同时”测定油脂不饱和度、总蛋白含量、总碳水化合物含量等。对于这些重要的代谢表型,传统方法要求基于各种不同的实验原理和流程来“分别”分析,无法同时分析。因此,RACS-Seq进一步提高了分析效率。而且,同一细胞多种表型的同时揭示,能够通过拉曼组内关联分析(IRCA)等算法,发现化合物之间的相互转化等关键信息。


样品存储形式具普适性

RACS-Seq针对液体悬浮培养的活细胞、-80℃冷冻保存的湿藻泥、冷冻干燥藻粉等不同细胞保藏状态的样品,测量结果之间高度一致。


可对接单细胞测序

RACS-Seq流程还能支撑基于代谢表型组的单细胞分选与DNA/RNA测序。在多篇已发表的论文中,已经证明RACS-Seq能够精确到“一个”微生物细胞,完成其拉曼光谱测量和全基因组测序(99%覆盖度)。


抓技术 重发展  星赛生物响应国家需求 助力双碳行动

据估算,每生产培养1吨微藻可以捕获1.8吨二氧化碳。而微藻固碳相关产业的核心环节是工业微藻的资源挖掘、分子育种和培养过程监控。因此,星赛生物的单细胞分析仪器系列,将从国产科学仪器的角度,对包括能源微藻在内的工业生物技术产业起到共性的支撑作用。


我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量由量变到质变的关键时期,大力发展低碳环保产业已经成为各部门的重要工作。星赛生物作为有担当的国产高端科学仪器企业,将义不容辞当好排头兵,争当双碳行动仪器赛道的探索者、实践者和领跑者,从国产高精尖生命科学仪器装备的角度,服务双碳行动攻坚战。

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