单细胞拉曼光谱在微生物研究中的应用

拉曼显微光谱是一种能够提供0.5–1.0μm空间分辨率的单个微生物细胞内化学结构信息的研究技术。近几年来,拉曼显微光谱被越来越多地应用于微生物单细胞的研究中,它可以快速无损地检测微生物细胞内的特征化学组分。典型的单个微生物细胞的拉曼光谱包含核酸、蛋白质、碳水化合物、脂质和色素(例如类胡萝卜素)等信息,这些信息能够表征微生物细胞的基因型、表型和生理状态。所以单细胞拉曼显微光谱是一种可用于区分微生物样品的"全生物指纹"技术,它可用于研究单个微生物细胞生命阶段的转变、鉴定微生物单细胞中的色素及其他化合物的含量变化等。本文综述了目前拉曼显微光谱在微生物单细胞研究上的应用,主要包括与稳定同位素标记(stable isotope probing,SIP)、拉曼成像、光谱分类和细胞分选技术结合来探究微生物单细胞对物质吸收后特征峰的变化、推导物质循环过程、进行微生物分类鉴定和探索基因型与表型的关系。拉曼显微光谱作为微生物单细胞研究的手段之一,在代谢过程的研究、活细胞分选和细胞对物质的利用上具有广泛的应用前景。     

拉曼光谱分析技术在细胞生物学研究中的应用进展

细胞是生物体结构和功能的基本单位,自被发现以来新的研究方法不断涌现。单细胞拉曼光谱能提供细胞内核酸、蛋白质、脂质含量等大量信息,可在不损伤细胞的条件下实时动态地监测细胞分子结构变化,亦可获得细胞的“分子指纹”,具有敏感性高、实时检测、活样品不需固定或染色、不损伤细胞等众多特点。近年来国内外研究者将拉曼光谱应用于细胞药物处理、细胞水平疾病诊断、单细胞生命活动监测、亚细胞结构等研究,取得了不同程度的进展。随着研究的深入,拉曼光谱分析技术必将在干细胞,癌症研究、细胞分选、药物筛选等领域大有作为。     

微生物单细胞分离方法研究进展

自然界中大多数微生物处于未培养状态,被称为“微生物暗物质”。随着微生物单细胞分离方法的不断更新,利用新技术、新方法应对微生物纯培养的挑战获得了重要进展,这些新的分离及培养策略对推动微生物资源学的发展具有重要意义。尽管宏基因组学和基因组学数据相关成果日益增多,但微生物单细胞的分离与培养对于系统研究微生物的生态功能、遗传进化等仍至关重要。本文主要概述了目前使用的或正在研发的膜扩散培养法、微流控分选、荧光激活细胞分选、单细胞拉曼分选、光镊技术、显微操作技术等单细胞分离技术的原理与应用,及其在微生物单细胞分离和培养方面的优点与不足,同时展望了这些单细胞分离技术未来的发展和应用前景。     

微生物流式分选的单细胞样品制备及存活率提高的方法优化

【背景】以流式细胞技术为代表的高通量筛选技术能够高效筛选具有目标性状的微生物工程菌株。在流式分选中微生物的粘连会造成分析数据不准确,分选纯度降低,因此快速简便的单细胞样品制备是流式检测的关键。优势菌大多是通过筛选偶联荧光蛋白的随机突变库获得,阳性率低,杂质和死细胞的自发荧光较强,容易混入分选门内造成存活率降低,亟须提高分选存活率的方法。【目的】建立一种简便的微生物流式分选的单细胞样品制备方法,并通过碘化丙啶(propidium iodide, PI)染色提高分选样品存活率。【方法】分别在大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌和酵母菌4种底盘细胞中探索超声波、消化酶、表面活性剂及超声-表面活性剂联合作用4种方式对单细胞制备效率的影响。提高微生物流式分选存活率,用常压室温等离子诱变(atmospheric and room temperature plasma, ARTP)技术处理含有绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)的酿酒酵母HZ848 (简称HZ848-GFP),形成不同强度GFP文库后,按照GFP强度分选全细胞和PI染色阴性细胞的前0.5%,统计单细胞存活率。【结果】酵母细胞分散条件为：0.01% Tween-80联合超声1 min,单细胞率达到88%以上,PI染色细胞破损率＜1.4%。谷氨酸棒状杆菌单细胞分散条件为：0.01% Tween-80联合超声5 min,单细胞率达到97%以上,PI染色细胞破损率＜1%。分选存活率结果表明,未用PI染色的酿酒酵母分选后单细胞存活率是4.3%,用PI染色去除死细胞后再分选单细胞存活率是18.3%,后者是前者的4.3倍,且具有显著性差异。【结论】本研究为微生物流式分选建立了一套简单快捷的单细胞样品制备方法,证实了PI染色法能够显著提高分选样品存活率。     

HRP与TMB显色用于流式细胞仪MoFlo Astrios~(EQ)单细胞分选的方法探索

该文应用流式细胞仪MoFlo AstriosEQ结合辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)与四甲基联苯胺(3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine, TMB)混合显色原理,进行单细胞分选的方法探索。结果显示:分选不同数量的微球或者细胞导致两者显色反应呈现深浅不一的蓝色,而未分选的对照组为无色, D650值提示组间具有显著性差异;分选微球和分选细胞组间无显著差异。研究表明,该方法能够快速判断实际分选得到的微球或细胞数与理论设置是否吻合,为后续单细胞分选提供判断依据。另外,整个验证过程不需要额外的大型仪器,试剂常规、廉价,可作为今后单细胞分选实验的辅助手段。     

单细胞拉曼技术在病原微生物检测中的研究进展

单细胞拉曼技术是基于拉曼光谱分析原理实现非培养、无标签、快速、高效、低成本揭示物质本质的新方法。近年来,单细胞拉曼技术也开始在病原微生物检测领域崭露头角。本文结合单细胞拉曼技术基本原理这一理论基础,阐述该技术在病原微生物鉴定、药物敏感性检测中的研究进展及最新技术方向,并探讨其在临床实验室应用的可行性,为未来病原微生物检测技术提供新的方向。     

利用单细胞RT-PCR体外克隆个体化乙型肝炎表面抗体重链

目的建立一种利用单细胞RT-PCR技术克隆乙型肝炎表面抗体重链的方法,为人源化、个体化的乙肝治疗性抗体研制奠定基础。方法利用单细胞分选技术从乙肝疫苗接种志愿者外周血中分选得到单个抗体分泌细胞（antibody-secreting cells,ASC）,用单细胞RT-PCR克隆其IgG重链全长到pEGFP-N1载体,转染COS-7细胞,上清液用乙肝表面抗原（hepatitis B surface antigen,HBsAg）通过Western blot进行结合力验证。结果克隆得到1 500 bp左右的重链全长,重链表达产物经验证能与乙肝表面抗原特异结合。结论克隆得到表达产物能与HBsAg特异结合的重链基因,为我们后期制备抗体轻链、连接轻重链和抗体亲和力鉴定奠定基础。     

一种制备新生隐球菌单细胞的方法

【目的】建立流式细胞仪分选新生隐球菌单细胞的方法,确定新生隐球菌单细胞恢复生长的条件和能力。【方法】利用Moflo XDP流式细胞分析分选仪,体外测定不同条件下新生隐球菌恢复生长的比率。【结果】建立了流式细胞仪新生隐球菌单细胞分选流程。确定流式细胞仪分选得到的新生隐球菌单细胞具有恢复生长的能力,恢复生长的能力受营养条件和菌株差异的影响。在营养丰富的条件下,新生隐球菌JEC21和H99单细胞恢复生长比率分别为74%和89%。在寡营养条件下,JEC21和H99单细胞恢复生长比率分别为37%和80%。JEC21生长比率随细胞数的增加而升高,细胞数为100个时,生长比率为55%;细胞数为1000个时,生长比率为97%。【结论】流式细胞仪分选得到新生隐球菌单细胞具有恢复生长的能力,生长能力受营养条件、菌株差异的影响。     

单细胞稳定同位素标记技术在固氮微生物中的应用研究

生物固氮是指固氮微生物将大气中氮气还原为生物可利用氨的过程,是环境中新氮的主要来源,调控初级生产力并影响氮储库的收支平衡。由于环境中大部分固氮微生物不可纯培养,不依赖培养且具有高空间分辨率水平的单细胞技术,成为研究固氮微生物的有力手段。~(15)N_2稳定同位素标记技术,以微生物对~(15)N的同化量或速率为依据,是表征微生物固氮活性的最直接手段。本文对~(15)N_2稳定同位素标记结合两种单细胞技术,即纳米二次离子质谱(Nano SIMS)和单细胞拉曼光谱,用于固氮微生物研究的最新进展进行了综述,内容包括揭示环境中高活性固氮微生物、空间分布、与其他生物的共生关系、细胞生理状态等,并进一步对近期发展的基于单细胞拉曼光谱的固氮微生物研究进行了展望。     

微流控芯片技术在细胞生物学研究中的应用进展

20世纪90年代以来,微流控芯片技术得到了快速发展。由于具有小型化、集成化、高通量、低消耗、分析快速等特点,微流控芯片作为一种新型的生物学研究平台,能够提供传统方法不具备的精细和可控制的细胞研究条件,在细胞生物学研究领域中得到了广泛关注。该文主要介绍其在细胞培养、分选、裂解、计数、凋亡检测、迁移、单细胞捕获、细胞间作用等方面的研究进展。     

组织单腺体内单细胞的基因变异分析方法

从单细胞尺度进行细胞异质性的分析是深度理解细胞群体关系的关键。组织中的单细胞由于细胞类型不同,尺寸往往相差很大,但是目前常用的基于微孔板和Fluidigm公司的微流控的单细胞组学研究方法,需要入口的单细胞大小相近。本研究以胃组织为例,建立了一种组织单细胞的基因变异分析方法,实现了尺寸差异较大的单细胞的基因变异分析。在该方法中,先将胃组织裂解获得单个腺体,再将单个腺体酶解得到不同大小的腺体内单细胞,然后把这些单细胞铺在聚乙烯萘膜载玻片上,进行激光显微切割分选、全基因组放大,最后测其微卫星的长度。利用该方法,成功在肠上皮化生腺体内部检测到微卫星长度的变化,并灵活地对尺寸差异大的组织细胞以及肠化生腺体细胞进行了精细分析。此外,这种单细胞分析方法还可以对带有不同标记的细胞进行低通量和高通量的基因组分析,为单细胞尺度上的组织异质性研究提供了一种高度灵活的分析方法。     

植物单细胞转录组测序研究进展

单细胞转录组测序是一种在单细胞水平上研究基因表达的技术.多孔板法和液滴法是目前应用于植物研究的两类主要的单细胞转录组技术.首先概述了植物单细胞转录组测序的技术原理和数据分析流程,然后介绍了植物单细胞转录组的研究进展,重点阐述了单细胞转录组测序技术在鉴定植物细胞类型、揭示细胞演化轨迹和构建细胞间调控网络中的应用.单细胞转...     

基于拉曼技术的单细胞生长检测方法

目的 单细胞生长检测可以更加科学地揭示微生物代谢变化的规律,为后期微生物工程应用提供指导。针对微生物生长应用于食品安全期和最佳食用期的精准检测问题,本文提出一种基于拉曼技术的单细胞生长检测方法。方法 首先,通过同步培养实验采集了枯草芽孢杆菌两个批次共900个单细胞拉曼光谱（SCRS）数据,其中600个用于训练和测试,另一批次300个用于模型验证。其次,基于主成分分析的特征关系矩阵,提出CP-SP特征评估方法以筛选SCRS特征用于模型检测。再基于XGBoost构建检测模型,并应用网格搜索和交叉验证对检测模型进行调优。最后,应用混淆矩阵、ROC曲线评估模型对细胞滞后期、对数期和稳定期的检测准确率、敏感性和特异性。结果 选用CP-SP筛选的第一、第二和第四主成分较特征贡献率前3个主成分的分类性能提高了3.1%,调优后的细胞生长检测模型测试准确率为96.0%,验证准确率为92.3%。结论 基于拉曼技术的单细胞生长检测方法能准确识别单细胞生长状态且具有较高的泛化能力,可为食品安全和保鲜制定精准调控机制提供科学指导。     

专家答读者问：流式细胞仪如何将不同类型的细胞分开

<正>流式细胞仪（flow cytometer）是一种在功能水平上对单细胞或其他生物粒子进行定量分析和分选的检测仪器，可以每秒钟分析上万个细胞/粒子，并能同时从一个细胞/粒子中获得多个参数。其应用范围非常广泛，而且还在不断拓展，细胞分选也是它的重要应用之一。它能够根据每个细胞的光散射和荧光特征，将特定的细胞从细胞群体中分选出来。下文以细胞为例具体说明流式细胞仪的工作原理、技术特点和应用。流式细胞仪能够利用细胞的光散射特征，     

FACSAria流式细胞仪96孔微孔板单个细胞分选方法的优化和应用

对FACSAria流式细胞仪96孔微孔板单个细胞分选方法进行优化和应用。通过对液流的调节,获得较稳定的分选设定值;在96孔微孔板盖上分选肉眼可见液滴,确定分选液滴在96孔微孔板每孔相对应的盖上的位置;分选结束后,计数单个细胞存在的细胞孔数;分选细胞培养7d后,记录单个细胞存在孔数及单克隆形成的数量。结果5个细胞形成的液滴即肉眼清晰可见;96微孔板有单个细胞的孔数为80～90个,单个细胞获得率为83.3%～93.7%,培养7d后,有活细胞存在的孔数为5～38孔,即单克隆形成率为6.3%～42.2%。分选前在96孔微孔板板盖上分选肉眼可见液滴的简单方法使得对液流位置的判断直观可见;流式细胞仪96孔微孔板单细胞分选是一种简单易行,准确有效地获得单个细胞和单克隆的方法。     

单细胞全基因组扩增技术与应用

同一组织中的细胞往往具有类似的结构和功能,然而通过对单个细胞进行测序分析后,发现每个细胞都具有一定异质性.单细胞全基因组扩增技术是进行单细胞测序的前提,该技术可用于揭示单细胞基因组结构差异,同时在肿瘤研究、发育生物学、微生物学等研究中发挥重要作用,并成为生命科学研究技术的热点之一.单细胞全基因组扩增技术的难点在于单细胞的分离和全基因组的扩增.本文介绍了单细胞全基因组扩增技术中常用的单细胞分离技术和单细胞全基因组扩增技术,并对各技术间的优缺点进行比较,同时着重讨论该技术在肿瘤研究、发育生物学和微生物学研究中的应用.     

多炔彩虹探针在生物学研究中的应用与展望

多炔彩虹探针(Carbow)是一种基于聚炔支架的超多路复用拉曼探针,通过受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)显微技术可以对振动频率不同的20余种彩虹探针分子进行区分。利用探针分子的特异性修饰, Carbow可以对活细胞内的多种细胞器,以及蛋白质和脂质等大分子进行同时成像。多炔分子的高光稳定性与低细胞毒性结合SRS的多通道光学检测将使Carbow在生物学领域具有巨大的应用潜力。该文综述了基于SRS平台的拉曼标记技术和Carbow的设计合成原理与优势,并对Carbow在活细胞中不同细胞器的特异性标记成像以及在细胞与组织免疫染色、细胞分选与高通量分析中的生物学应用进行总结。最后,对拉曼标记技术的提升改进及其在植物学领域中的应用进行了展望。     

单细胞组学技术及其在植物保卫细胞研究中的应用

单细胞组学技术在动物研究中已经得到广泛应用,但在植物学领域尤其是保卫细胞研究中还处于起步阶段。由保卫细胞构成的气孔承担着植物生命过程中水分散发及气体交换大门的作用。将单细胞组学技术应用到保卫细胞功能解析中将有助于了解保卫细胞参与的基本生理过程。该文综述了植物单细胞组学技术的发展、保卫细胞研究现状及单细胞组学技术在植物保卫细胞研究中的初步应用,为借助该技术解决植物生物学中保卫细胞发育、代谢及对环境胁迫响应等基本问题提供研究思路和方法。     

单细胞技术在干细胞研究中的应用

干细胞是具有自我更新和分化潜能的异质性细胞群体。基于细胞群体水平的干细胞研究不能满足深入认识干细胞生物学本质及实际应用的需要。近年来,单细胞相关技术不断发展和成熟,并正在干细胞基础研究及其相关领域中获得迅速应用。该文以造血干细胞为主要例举,就实验研究中常用的单细胞分离、单细胞克隆分析、单细胞移植、单细胞实时定量PCR及单细胞测序等技术原理及其应用进行综述。     

磁性细胞分选技术的应用与生物学评价

磁性细胞分选技术是一种利用超顺磁性纳米复合材料进行细胞分选的细胞高度特异性快速分选技术,在免疫学、干细胞学、肿瘤学和临床医学等领域应用广泛。本文综合阐述了磁性细胞分选技术的分类和应用,讨论了近几年出现的几项基于磁性细胞分选的新技术和面临的挑战。重点分析了磁性细胞分选产品生物学评价的必要性,并提出了10项与磁性细胞分选产品相关的生物学评价技术参数：得率、纯度、无菌、细胞毒性、细胞形态、活率、细胞的光散射特性、细胞的荧光抗体标记能力、细胞活化、细胞增殖,该评价技术参数的提出对磁性细胞分选规范化应用具有重要的推动作用。