单个细胞是地球上生命体功能和进化的基本单元，蕴藏着生长发育、衰老死亡、新陈代谢、信号传导等众多奥秘。单细胞精度的功能分选是解析每个细胞千差万别的原因、探索自然界海量陌生细胞（不可培养微生物）的重要工具，分选通量的提高将帮助研究人员累积更多的研究样本，拓展更广的筛选范围（自然环境、突变体库等）。因此，实现单细胞精度的高通量功能分选至关重要。

  最近，中国科学院青岛生物能源与过程研究所传来喜讯，该所单细胞中心马波研究员与徐健研究员带领的多学科交叉团队，将单细胞拉曼光谱（SCRS）与液滴微流控技术耦合，发明了高通量拉曼激活单细胞液滴分选技术（RADS，Raman-activated single-cell Droplet Sorting）。该工作于2017年11月3日在线发表于美国化学会《Analytical Chemisrtry》。

注：单细胞拉曼光谱（SCRS）能够在无标记、无损的前提下揭示细胞固有的化学组成。

巧妙的“后液滴包裹”设计

  本研究开发的高通量拉曼激活单细胞液滴分选技术（RADS技术），是一种巧妙的“后液滴包裹”设计，它在微流控芯片的拉曼光谱检测点后方引入液滴包裹单元，这样就克服了制约通量提高的电磁阀作为分选驱动力的瓶颈问题，实现了基于介电力驱动的高通量分选。这使得从自然界中筛选新型的种子选手，或是从突变体库中找到更优秀的候选者，都变成现实。这项研究成功地将传统的“先养再选”思路扭转成了“先选再养”，避免了传统分选的涂平板和挑克隆的过程，省去了扩大培养、提取以及定量等繁琐过程。

与传统技术相比，RADS技术的优势为：

从筛选到采集，高效一体化拉曼分析过程

  接下来我们就来看看整个从筛选到采集的工作是如何进行的。具体来说，如下图，在微流控芯片中，细胞排着队（从左向右）一个个经过拉曼检测点（Raman），之后被逐个包裹在液滴（Oil）里面，与此同时计算机对采集到的单细胞拉曼信号进行判别，满足分选条件的，启动介电力（Dielectrophoresis），目标细胞将进入分选通道（Collect），而不满足分选条件的细胞将流入废液通道（Waste）。

拉曼激活单细胞液滴分选技术

  在上述“流程”中的拉曼分析环节，研究团队利用HORIBA HR 800型拉曼光谱仪来采集单细胞拉曼光谱信号，配置EMCCD使得信号强度大幅提升，这对分选通量提高起到了重要作用。

  如果说微流控芯片、拉曼光谱仪及RADS是分析过程的三大核心结构，那么本项工作更加重要的“总指挥”则是团队自主开发的分析软件，该软件将拉曼采集、分析、单细胞液滴包裹及分选过程集成在一起，充分实现了从分选到采集的高度自动一体化。

实践中的应用

  在上述分选技术的基础上，研究团队成功完成了大量实践研究，如高产虾青素之雨生血球藻的精确化（分选准确率98.3%）、高通量（260细胞/分钟）筛选等，并通过实验发现并证明，分选后92.7%的雨生血球藻细胞仍可保持活性并可增殖。相信后续还会有更多令人兴奋的实践研究成果不断诞生。

本工作在中国科学院青岛生物能源与过程所完成，同时得到了中科院武汉水生所胡强研究员、北京大学王玮教授等的帮助，并得到了中科院仪器专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和山东省自然科学基金等的支持。相关研究成果以“Raman-activated Droplet Sorting (RADS) for Label-free High-throughput Screeningof Microalgal Single-cells.”为题发表在《Analytical Chemisrtry》上。

团队介绍

中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞研究中心（http://www.Single-Cell.cn/）拥有约60人的研发队伍，其核心使命是研制和应用示范包括单细胞拉曼成像、拉曼激活细胞分选、单细胞测序、单细胞培养等在内的新一代单细胞分析系列仪器，以及元基因组、拉曼组等生物大数据软件，进而以微藻合成生物学、共生菌群与健康、海洋生物资源等为模式研究体系，探讨单个活体细胞精度的微生物组功能与进化机制。

最近，徐健研究员团队还发明了基于“拉曼组”的单细胞快检技术，能够在单个细胞精度同时测定淀粉、甘油三酯、蛋白质含量以及油脂不饱和度，为细胞工厂的性能测试平台增添了一个崭新手段。该工作于11月19日在线发表于Biotechnology for Biofuels。

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