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4月21日，科技日報(bào)記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱“青島能源所”）獲悉，該所單細(xì)胞中心聯(lián)合清華大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位，創(chuàng)新性地將過程拉曼組技術(shù)引入發(fā)酵過程監(jiān)控。該方法猶如裝上一雙“透視眼”，能即時監(jiān)測工業(yè)發(fā)酵罐內(nèi)細(xì)胞代謝功能的變化，快速獲取單細(xì)胞精度的多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。相關(guān)研究近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《生物技術(shù)趨勢》上。

作為封閉的生物反應(yīng)器，發(fā)酵罐可合成各種生物聚合物。如何穿透這個黑箱實(shí)時監(jiān)測細(xì)胞的代謝功能，長期困擾著生物制造行業(yè)。針對細(xì)胞中生物聚合物含量與單體組成等關(guān)鍵代謝指標(biāo)，傳統(tǒng)過程分析手段通常需要從罐中取樣、送回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過煩瑣的前處理和色譜/質(zhì)譜分析后才有答案，滯后嚴(yán)重。而且，這些滯后的數(shù)據(jù)通常檢測的是數(shù)百萬細(xì)胞的群體平均值，無法精確鑒別各個細(xì)胞代謝亞群乃至單個細(xì)胞的真實(shí)貢獻(xiàn)。

針對這一行業(yè)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)提出將過程拉曼組技術(shù)引入發(fā)酵過程監(jiān)控。他們通過單細(xì)胞拉曼光譜直接讀取單細(xì)胞生化指紋圖譜，在12分鐘內(nèi)即可同時獲取單細(xì)胞精度的“正合成什么聚合物、含量多少、單體比例”等多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。這一策略將傳統(tǒng)兩天的檢測周期壓縮至分鐘級，且能定量監(jiān)控細(xì)胞代謝異質(zhì)性變化，從而指導(dǎo)發(fā)酵過程的理性調(diào)控。

聚羥基脂肪酸酯（PHA）是一類可生物合成的聚酯類聚合物。研究過程中，科研團(tuán)隊(duì)建立了過程拉曼組技術(shù)平臺，實(shí)現(xiàn)了PHA生產(chǎn)過程在單細(xì)胞精度、免熒光標(biāo)記的代謝表型組監(jiān)測，且可在單細(xì)胞水平同時定量總PHA含量及其單體組成，精度與傳統(tǒng)氣相色譜方法相當(dāng)。

青島能源所張佳副研究員介紹，目前，5000升工業(yè)發(fā)酵罐實(shí)測已驗(yàn)證了過程拉曼組技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。此外，研究團(tuán)隊(duì)還針對釀酒酵母合成蛋白、紅球菌合成油脂等多種底盤、多種產(chǎn)品，驗(yàn)證了過程拉曼組技術(shù)平臺的廣譜應(yīng)用價(jià)值。

下一步，相關(guān)方將協(xié)同采集并比較針對典型工業(yè)發(fā)酵場景的過程拉曼組數(shù)據(jù)，合作建立新一代發(fā)酵過程質(zhì)檢質(zhì)控體系。

（研究團(tuán)隊(duì)供圖）