拉曼激活細胞分選耦合測序是菌群單細胞分析的重要手段，但其低基因組覆蓋度一直困擾著業界。中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心發明了全新的單細胞拉曼分選-測序技術RAGE-Seq，實現了菌群中單個目標細胞近100%覆蓋度的精準測序。該工作發表於Small。
微生物組是地球上能量與元素循環的主要載體，與人體、動植物以及環境的健康也息息相關。因此，微生物組的探測、理解和利用，將跨越「尚難培養微生物屏障」，帶來生命科學及其應用的共性突破。單細胞拉曼光譜能夠無需培養而快速識別菌群中細胞的各種代謝功能（Biotechnol Adv, 2019），但是一直以來，針對菌群的單細胞拉曼分選和測序都面臨著兩個瓶頸：首先，如何無損快速地獲取特定拉曼表型的單個細胞；其次，如何高覆蓋度地獲得精確到一個細胞的基因組。
針對上述問題，青島能源所單細胞中心徐騰、公衍海、蘇曉璐等發明了一種在液相環境中測量與分選菌群中目標微生物單細胞的拉曼分選-測序耦合技術RAGE-Seq（Raman-activated Gravity-driven Encapsulation and Sequencing；圖1）。它通過聯用光鑷及微流控液滴技術，將特定拉曼表型的細菌單細胞從群體中精準分離，並包裹到皮升級液滴中，然後採用宏觀移液的方式便可將包裹有目標細胞的液滴導出轉移到試管中，從而快速、精確、簡便地實現「單個細胞-單個液滴-單個試管」的拉曼分選流程，可直接耦合下遊細胞培養或基因組分析。
由於目標細胞在分選過程中始終包裹於水相環境中，RAGE-Seq有效降低了拉曼分選中雷射引入的細胞損傷。其導出的單細胞液滴體系，經過簡單震蕩後可轉變成乳化擴增體系，大幅度降低了傳統單細胞基因擴增（如單細胞MDA）中存在的偏好性，從而可從一個細胞得到近乎完整的全基因組信息。此外，其獨特的單液滴分選轉移形式，有效解決了單細胞分析中常見的汙染問題。
基於單細胞中心前期發明的重水孵育單細胞拉曼藥敏快檢技術（Anal Chem, 2017），研究人員用RAGE-Seq從臨床尿液樣本中直接識別和分選出耐受特定抗生素的臨床大腸桿菌，並進行了精確到一個細胞的全基因組測序，覆蓋度可達99.5%。這一高覆蓋度保證了基因組上所有耐藥基因突變均得以全面、精確地揭示。
從菌群中直接、精準地獲取一個細菌細胞的藥敏性表型及其完整基因組，以往還未有先例。因此，RAGE-Seq的這一獨特能力，預計將帶來臨床感染診斷和用藥、耐藥性傳播監控與機制、海洋生態監控與資源挖掘等領域的一系列突破。
基於RAGE-Seq，單細胞中心推出了臨床單細胞拉曼藥敏快檢儀CAST-R，以及和現有螢光/明場顯微鏡耦合的模塊式單細胞微液滴分離系統EasySort。這些原創的系列儀器正在服務各種場景下的單細胞功能分選與測序（圖1）。
該工作由單細胞中心馬波和徐健主持完成。該工作得到中科院戰略性先導專項、國家自然科學基金委、山東省自然科學基金委的資助。
圖1 單細胞中心研製的RAGE-Seq技術及儀器系統
論文信息：
1. T. Xu+, Y. H. Gong+, X. L. Su+, P. F. Zhu, J. Dai, J. Xu*, B. Ma*, Phenome-Genome Profiling of Single Bacterial Cell by Raman-activated Gravity-driven Encapsulation and Sequencing, Small (2020), DOI: 10.1002/smll.202001172.
2. Y. He, X. Wang, B. Ma*, J. Xu*, Ramanome Technology Platform for Label-free Screening and Sorting of Microbial Cell Factories at Single-cell Resolution. Biotechnol Adv, 2019. pii: S0734-9750(19)30069-2. doi: 10.1016/j.biotechadv.2019.04.010.
3. Y. Tao, Y. Wang, S. Huang, P. Zhu, W. Huang, J. Ling*, J. Xu*. Metabolic-activity based assessment of antimicrobial effects by D2O-labeled Single-Cell Raman Microspectroscopy. Anal. Chem., 2017, DOI:10.1021/acs.analchem.6b05051.