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单细胞生物技术概述展望

发布时间:2022-11-25 10:33:10 阅读:1932次 来源:百度学术

  据估计,超过 99% 的微生物尚未培养。这些未培养的微生物是微生物世界的“暗物质 ”,在自然生态系统和人类微生物组中发挥着重要作用;单细胞生物技术将揭秘这些 自然界中的生物 的“暗物质”。

  然而,它们的生态作用和功能在很大程度上仍然难以捉摸。此外,这些未培养的细菌代表了一种重要但很大程度上尚未开发的遗传资源,可用于合成生物学以提供新的生物部件或生物砖,用于新药生物合成的医学,用于强大的生物催化剂和生物燃料合成的工业,以及用于环境生物修复新的生物降解基因。

  宏基因组学通过从环境样本中提取总 DNA 并直接对其进行测序来规避培养问题,这种方法揭示了对微生物群落多样性和复杂性的前所未有的看法。然而,这些方法通常无法定义或验证通常复杂的微生物群的个别成员的具体作用。单细胞生物技术将微生物细胞的天然微生物群中的微生物细胞逐个表征,为研究未培养的细菌提供了一种新方法。一个理想的平台是将准确且“无污染”的单细胞分选工具与强大的下一代 DNA 测序相结合。这将迎来单细胞组学(基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学)的新领域。

  对于单细胞生物技术,存在许多关键挑战:非侵入性和体内细胞分析、细胞表型与特定生态功能(例如底物代谢)的联系、克服测量参数的限制、给定的系统分化细胞的状态或表型以及从复杂样品原位分离活的单细胞。

  在各种单细胞分选技术中,一种新兴的方法是拉曼激活细胞分选 (RACS),它克服了外部标记的要求。单细胞拉曼光谱 (SCRS) 提供了单个细胞的无标记、非侵入性和内在表型谱,可用于表征细胞类型、生理状态和细胞功能 。典型的 SCRS 提供单个细胞的内在化学“指纹”,通常包含多参数(> 1000 个读数),包括关于核酸、蛋白质、碳水化合物和脂质的丰富信息。由于 SCRS 测量分子键的振动,因此它对稳定同位素化合物很敏感,并且当细胞将稳定同位素化合物(例如13 C-、15 N-底物或来自重水 D 2 O 的2 H )结合到细胞的构建模块(例如 DNA、脂质、蛋白质或碳水化合物)。SCRS 提供了一种将细胞与特定功能(例如 C/N 代谢和代谢活动)联系起来并在单个细胞水平上定义感兴趣的细胞的独特方法。RACS 系统由 SCRS 检测系统和细胞分离系统组成,可以是光镊 、微流体装置 或单细胞喷射系统 。

  RACS 将识别感兴趣的细胞并分离它们以进行下游单细胞组学分析。分离的单细胞将在微流控芯片上进行处理,以进行 DNA/RNA 提取和扩增。然后可以对 DNA/RNA 进行量化或测序,以解码特定细胞的基因组或转录组。这样的平台直接建立了单个细胞的基因型和表型之间的联系,从而为研究环境和遗传的变异性如何影响单个细胞的表型提供了前所未有的机会。

  单细胞生物技术不仅将成为微生物学的有力工具,也预示着单细胞生物学将成为细胞生物学的新前沿。单细胞是生命的基本功能单位,所有生物都是从单细胞开始的。通过研究单个细胞来了解细胞如何工作是细胞生物学的重要组成部分,而单细胞技术促进了对细胞生物学的更深入了解。近期对单个细胞的研究表明,同一群体中的单个细胞在功能上可能存在显着差异,这些差异具有深远的生物学意义,从细菌生理到胚胎细胞发育、组织分化、癌细胞形成和进化。

  综上所述,未来十年,单细胞生物技术有望像DNA测序一样迅速进入生物实验室的平台,并渗透到生命科学和生物技术的各个分支。他们承诺揭示基本的生物学原理并改进疾病的诊断和治疗,揭示细菌在土壤、植物和人类中的生态作用,并促进发现用于工业的新基因功能。


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