中國科學院青島生物能源與過程研究所與英國牛津大學、英國謝菲爾德大學、山東省海洋科學研究院等合作，基于CO2固定活性靶向性的拉曼分選耦合單細胞基因組(scRACS-Seq)等儀器、手段，揭示了海水中原位進行光合固碳的SAR11類群，并發(fā)現(xiàn)它們以視紫紅質作為捕光系統(tǒng)來驅動海水中CO2的固定。近日，相關研究成果發(fā)表在《生物設計研究》(BioDesign Research)上。

為了識別海洋微生物組中哪些細胞在原位固定CO2，青島能源所單細胞研究中心高級工程師荊曉艷、助理研究員公衍海和博士徐騰帶領的研究組，利用穩(wěn)定同位素13C標記的無機碳底物飼喂新鮮海水樣品，通過單細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之單細胞的識別和測量流程。基于單細胞中心等研制的scRACS-Seq系統(tǒng)，科研人員建立了針對CO2固定活性等代謝表型的功能靶向性單細胞拉曼分選與測序方法。

運用scRACS-Seq體系，該研究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行海洋原位固碳代謝的Pelagibacter屬單細胞(Pelagibacter屬單細胞來自SAR11等類群)。基于SAR11單細胞全基因組序列(覆蓋度最高達到100%)的進化分析、基因功能預測與代謝途徑重建，研究表明：它們具有完整的類胡蘿卜素合成途徑，印證了上述單細胞拉曼光譜基于色素峰紅移來識別和表征CO2固定活性的原理;發(fā)現(xiàn)了基于視紫紅質的光激活質子泵系統(tǒng)，包括雙加氧酶(Dioxygenase enzyme)、視紫質光敏感蛋白(Proteorhodopsin)、F-型ATP合成酶(F-type ATPase)等關鍵蛋白;它們擁有大部分進行CO2固定的Calvin-Benson循環(huán)途徑的基因。研究提示，這些SAR11細胞可能通過基于視紫紅質的光激活質子泵系統(tǒng)，來驅動基于Calvin-Benson循環(huán)的海水原位固碳。為了驗證這一假設，研究將這些SAR11單細胞基因組中四個預測為視紫質光敏感蛋白的基因在大腸桿菌中進行異源表達。結果證實，它們能夠合成視紫質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光敏感蛋白。因此，這些視紫紅質介導的光激活質子泵系統(tǒng)或是SAR11在海水中原位進行光合固碳的能量引擎。

SAR11難以培養(yǎng)且研究工具匱乏，但本研究在單細胞精度揭示了SAR11的代謝表型組和完整基因組，從而建立了視紫質光敏感蛋白和海水原位CO2固定之間的功能關聯(lián)。這一原創(chuàng)的“拉曼介導靶向單細胞基因組”(scRACS-Seq)儀器體系，克服了當前“拉曼介導靶向元基因組”手段通常難以在單個細菌細胞精度獲得高覆蓋度基因組的瓶頸，因而對于環(huán)境中生命暗物質的功能探索和機制解析具有共性的方法學意義。

研究工作得到國家重大科研儀器研制項目等的支持。

單細胞精度的海洋微生物組功能靶向性拉曼分選與測序技術(scRACS-Seq)