第四届海洋共生微生物论坛 · 专家专题——徐健研究员：以拉曼组学为钥，解锁微生物单细胞代谢密码

微生藏秘，技术破局；大咖领航，探寻未知。第四届海洋共生微生物论坛上，各路专家齐聚，以前沿技术为桥，解码海洋共生微生物的未知奥秘，分享领域内的创新突破与未来展望。

「专家专题・解码海洋共生微世界」系列专题持续发力，继上期回顾张卫院士在论坛上分享的海绵共生微生物生物智造潜力后，本期将聚焦中国科学院青岛生物能源与过程所徐健研究员的论坛报告，带大家重温拉曼组学的前沿干货，探寻这项技术如何破解微生物组研究的核心难题，为微生物组资源挖掘、功能解析提供全新技术路径。

传统研究的局限：为何元拉曼组学成为共生研究新利器？

从微生物学发展历程来看，纯培养方法难以还原微生物的原位功能，宏组学技术仅能预测功能且具有破坏性，荧光标记方法存在局限性，均无法实现“活体、原位、精准”的单细胞代谢检测。

在微生物组研究中，少量环境样本中就含有数十亿个微生物，传统方法不仅效率低下（筛选一株功能菌株可能需要数月），更难以捕捉微生物群体中的代谢异质性，无法解析不同微生物在共生关系中的具体角色。

因此，如同人类体检需要精准监测身体状态，微生物也需要“代谢体检”——在不破坏细胞活性的前提下，实时、原位探测每个细胞的代谢功能，这正是拉曼组学技术的核心价值所在。

拉曼组学：解锁微生物世界的“核心钥匙”

拉曼组学以拉曼光谱为核心，利用不同化合物的特定拉曼光谱特征，实现对单细胞内代谢物的精准识别与定量分析，具有三大核心优势：一是免荧光标记，不损伤细胞，可实现活体检测；二是单细胞精度，能捕捉细胞间的代谢异质性；三是高通量，每秒可检测数个或数百个细胞，大幅提升研究效率。

徐健研究员介绍，拉曼组学就像为每个微生物配备了“专属身份证”，通过检测其拉曼光谱，可快速判断微生物的物种类型、代谢活性、抗逆能力，以及是否能合成目标产物（如类胡萝卜素、DHA等），甚至能追踪代谢物在不同微生物之间的流动轨迹。

技术代际演进：从“难培养”到“可检可选可养”

随着拉曼组学技术的不断突破，结合合成生物学、人工智能等技术，微生物组研究已从“不可培养-难验证”走向“可解析-可验证-可工程化”。针对微生物组研究，徐健团队构建了完整的技术体系，实现了“原位代谢筛选-单细胞分选-培养验证-机制解析”的一站式研究，彻底打破了传统研究的局限。

同时，iMAPS 国际科学计划正在构建全球分布式微生物组代谢监测网络，计划两年内在全球建立70个探测点，每个探测点配备拉曼组学仪器，实现对海洋、土壤等环境中微生物代谢功能的实时监测，为全球微生物研究、气候变化应对提供数据支撑。

区分不同类群的核心原理是它们细胞壁、细胞膜上的化合物存在差异，对应的拉曼光谱特征也不同，结合细胞形态大小（通过明场观察），可实现全自动区分。对于细菌，目前针对特定微生物已能实现属、种水平的区分，针对常见益生菌的区分准确率可达95%以上。

核心挑战在于拓展拉曼光谱数据库的范围，对于自然界中大量难培养的未知微生物，需要通过与宏组学、质谱等技术结合，逐步完善数据库，提升区分精度。

拉曼组学主要检测细胞内的拉曼敏感物质，只要能检测到特定的拉曼峰，就能追溯到对应的一类代谢物。其优势在于拥有庞大的化合物拉曼数据库，可通过光谱对比，推断细胞内的代谢物种类，且能实现活体、单细胞精度的检测，零点一秒就能完成单个细胞的代谢检测，远快于质谱等传统方法。

目前，我们正探索将拉曼分选与质谱分析结合，进一步完善代谢物通量的定量分析，未来将能提供更精准的代谢通量数据。

只要光学显微镜能看到的细胞，基本都能通过拉曼组学技术分选，利用RAMS仪器，最小可检测100纳米的细菌（需荧光辅助标记以在显微镜下用光镊抓住目标细胞），最大可分选50微米的细胞。

对于拉曼敏感度低的目标物质，核心解决方案是与探针设计技术结合，通过针对性设计探针，放大目标物质的拉曼信号，提升检测灵敏度。我们非常欢迎与相关领域专家合作，共同开发针对特定代谢物的检测方案。

这正是拉曼组学的核心优势之一。我们可以通过化合物拉曼数据库，对比未知微生物的拉曼光谱，根据化学键特征推断代谢物类型；同时，无需培养，直接分选具有独特代谢特征的未知活体细胞，再通过测序或培养等技术解析其基因组和功能，实现“功能导向”的未知资源挖掘，打破了传统“先培养、后研究”的局限。

从拉曼组学的技术创新到微生物单细胞代谢解析，从“代谢体检”到全球监测网络的构建，徐健研究员的分享，为我们展现了前沿技术如何赋能微生物研究，为生物资源挖掘、功能解析提供了全新路径。

那些关于难培养微生物利用、代谢互作解析的深度探讨，不仅破解了长期困扰微生物研究的技术难题，更让我们看到了拉曼组学技术在生物智造、生态研究领域的无限可能，为相关领域的发展注入了新的活力。