用户文章丨《ES&T》单细胞基因组指导培养：李继兵/罗春玲团队应用RACS-SIP-GDC技术，实现功能微生物定向培养

2023年10月2日，中国科学院广州地球化学研究所李继兵/罗春玲研究员团队应用核心产品——PRECI SCS-R300拉曼单细胞分选仪发表了题为“In Situ Discrimination and Cultivation of Active Degraders in Soils by Genome-Directed Cultivation Assisted by SIP-Raman-Activated Cell Sorting”的研究文章，相关成果以副封面文章发表在环境科学领域权威期刊《Environmental Science & Technology》。该研究提出应用RACS-SIP-GDC技术，即将稳定同位素示踪（SIP）、单细胞拉曼分选（RACS）和反向基因组学（GDC：基因组指导微生物培养）技术联用，为未/难培养功能微生物提供高效解决方案。

一、研究背景

微生物是地球上Z为丰富且分布Z为广泛的生命形式，在生态系统中对有机物的生物地球化学循环发挥着关键作用。微生物降解是有机污染物分解过程中至关重要的环节，其中，降解功能微生物可将污染物转化为无毒化合物，是有机污染物降解的执行者。因此，深入研究原位降解功能微生物的种类和代谢特性，并从复杂环境微生物群落中发掘具有“特定代谢功能”的活体菌株资源，以提升有机污染物去除效率，是业界长期追求的目标，亦是环境微生物研究的焦点和难点。

二、研究内容

本文研究将稳定同位素示踪（SIP）、单细胞拉曼分选（RACS）和反向基因组学（GDC）技术联用，以石油污染土壤中的甲苯为研究对象，从复杂的石油污染土壤微生物群落中鉴定、分离和培养活性甲苯降解菌。通过SIP成功识别出了活性甲苯降解菌Pigmentiphaga；采用RACS，基于其光谱峰的偏移进一步分选出单个功能微生物细胞，并借助单细胞基因组测序，成功重建了石油污染土壤中活性甲苯降解菌的完整代谢途径，实现了单细胞水平上将功能微生物与其功能基因和代谢通路直接相关联；随后，基于单细胞基因组揭示的功能微生物的代谢特性，通过添加抗生素、氨基酸、碳源和生长因子（如特定的维生素和矿物质元素）等对传统培养基进行修改，成功培养了RACS分选的活性降解菌。

本研究发展的RACS-SIP-GDC新方法，可从复杂环境群落中精准识别、定向分离和培养功能微生物，为真实环境中特定有机污染物降解微生物的培养提供了技术支持。同时，该技术实现了在单细胞水平上准确识别降解目标有机污染物的功能微生物，并将降解功能微生物与功能基因和代谢通路直接关联，为研究有机污染物生物降解机制提供了新思路。

辰英价值

准确识别出目标功能菌，并将其精准分离出来进行单细胞测序，是本研究实现有机物降解功能菌株培养的关键。传统流式细胞术一方面难以与拉曼光谱技术连用，另一方面在面对尺寸微小、形态各异、目标丰度低、细胞易粘连、杂质较多的土壤微生物样品时存在局限性。

本研究应用的PRECI SCS-R300拉曼单细胞分选仪很好解决了上述问题：① 具有高通光量拉曼光路设计，对于尺寸小至0.3 μm的微生物也能实现高信噪比的拉曼指纹区采集，进而通过¹³C峰位偏移准确锁定功能菌；② 采用芯片式的上样方式，抗杂质干扰能力强，且可同时对0.3-20 μm形态各异的目标菌进行分离，单细胞得率及纯度＞99%；③ Z低上样量0.2 μl，微生物单细胞数量100个，目标细胞可低至0.1%，适用于低丰度及珍贵样品。

PRECI SCS-R300拉曼单细胞分选仪为土壤等复杂样品中功能微生物筛选研究提供强有力的工具。

原文链接：

https://pubs.acs.org/10.1021/acs.est.3c04247

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