10月31日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該研究所與英國牛津大學(xué)、英國謝菲爾德大學(xué)、青島星賽生物等合作開發(fā)出拉曼介導(dǎo)靶向單細(xì)胞基因組技術(shù)，基于CO2固定活性靶向性的拉曼分選耦合單細(xì)胞基因組(scRACS-Seq)等儀器手段，揭示了海水中原位進(jìn)行光合固碳的SAR11類群，并發(fā)現(xiàn)它們以視紫紅質(zhì)作為捕光系統(tǒng)來驅(qū)動海水中CO2的固定。相關(guān)成果已于近日發(fā)表在《生物設(shè)計研究》上。

海洋是地球上最大的活躍碳庫，海洋微生物在全球碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，然而由于大部分海洋微生物尚難以培養(yǎng)、原位代謝功能難以測量等技術(shù)瓶頸，業(yè)界對于海洋微生物光合固碳的原位功能機(jī)制等重要問題，仍然存在爭議。

為了識別海洋微生物組中哪些細(xì)胞在原位固定CO2，上述研究所單細(xì)胞中心的研究小組利用穩(wěn)定同位素13C標(biāo)記的無機(jī)碳底物飼喂新鮮海水樣品，通過單細(xì)胞拉曼光譜中類胡蘿卜素等色素特征峰的“紅移”現(xiàn)象，建立了在免培養(yǎng)前提下原位固定CO2的單細(xì)胞識別和測量流程。借助單細(xì)胞中心與星賽生物聯(lián)合研制的“拉曼介導(dǎo)靶向單細(xì)胞基因組”(scRACS-Seq)儀器體系，建立了針對CO2固定活性等代謝表型的功能靶向性單細(xì)胞拉曼分選與測序方法。

研究所荊曉艷高級工程師介紹，運用scRACS-Seq體系，研究人員在中國山東省青島嶗山灣真光層海水中，識別和分選到一系列進(jìn)行海洋原位固碳代謝的Pelagibacter屬單細(xì)胞，來自于SAR11等類群。“這些SAR11細(xì)胞，可能通過基于視紫紅質(zhì)的光激活質(zhì)子泵系統(tǒng)，來驅(qū)動基于Calvin-Benson循環(huán)的海水原位固碳。”荊曉艷表示，為了驗證這一假設(shè)，研究人員將這些SAR11單細(xì)胞基因組中4個預(yù)測為視紫質(zhì)光敏感蛋白的基因在大腸桿菌中進(jìn)行了異源表達(dá)。結(jié)果證實，它們能夠合成視紫質(zhì)且其中的兩個基因與GenBank中的基因均無顯著同源性，屬于一類全新的視紫質(zhì)光敏感蛋白。因此，這些視紫紅質(zhì)介導(dǎo)的光激活質(zhì)子泵系統(tǒng)，很可能是SAR11在海水中原位進(jìn)行光合固碳的能量引擎。

據(jù)了解，SAR11難以培養(yǎng)且研究工具匱乏，該研究揭示了SAR11的代謝表型組和完整基因組，從而建立了視紫質(zhì)光敏感蛋白和海水原位CO2固定之間的功能關(guān)聯(lián)。這一原創(chuàng)的“拉曼介導(dǎo)靶向單細(xì)胞基因組”(scRACS-Seq)儀器體系，克服了目前“拉曼介導(dǎo)靶向元基因組”手段通常難以在單個細(xì)菌細(xì)胞精度獲得高覆蓋度基因組這一瓶頸問題，對于環(huán)境中生命暗物質(zhì)的功能探索和機(jī)制解析具有共性的方法學(xué)意義。(科技日報記者 王健高 實習(xí)記者 宋迎迎 通訊員 劉佳)