據(jù)估計，超過 99% 的微生物尚未培養(yǎng)。這些未培養(yǎng)的微生物是微生物世界的“暗物質(zhì) ”，在自然生態(tài)系統(tǒng)和人類微生物組中發(fā)揮著重要作用；單細胞生物技術(shù)將揭秘這些 自然界中的生物 的“暗物質(zhì)”。
然而，它們的生態(tài)作用和功能在很大程度上仍然難以捉摸。此外，這些未培養(yǎng)的細菌代表了一種重要但很大程度上尚未開發(fā)的遺傳資源，可用于合成生物學(xué)以提供新的生物部件或生物磚，用于新藥生物合成的醫(yī)學(xué)，用于強大的生物催化劑和生物燃料合成的工業(yè)，以及用于環(huán)境生物修復(fù)新的生物降解基因。



宏基因組學(xué)通過從環(huán)境樣本中提取總 DNA 并直接對其進行測序來規(guī)避培養(yǎng)問題，這種方法揭示了對微生物群落多樣性和復(fù)雜性的前所未有的看法。然而，這些方法通常無法定義或驗證通常復(fù)雜的微生物群的個別成員的具體作用。單細胞生物技術(shù)將微生物細胞的天然微生物群中的微生物細胞逐個表征，為研究未培養(yǎng)的細菌提供了一種新方法。一個理想的平臺是將準(zhǔn)確且“無污染”的單細胞分選工具與強大的下一代 DNA 測序相結(jié)合。這將迎來單細胞組學(xué)（基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)）的新領(lǐng)域。

對于單細胞生物技術(shù)，存在許多關(guān)鍵挑戰(zhàn)：非侵入性和體內(nèi)細胞分析、細胞表型與特定生態(tài)功能（例如底物代謝）的聯(lián)系、克服測量參數(shù)的限制、給定的系統(tǒng)分化細胞的狀態(tài)或表型以及從復(fù)雜樣品原位分離活的單細胞。

在各種單細胞分選技術(shù)中，一種新興的方法是拉曼激活細胞分選 (RACS)，它克服了外部標(biāo)記的要求。單細胞拉曼光譜 (SCRS) 提供了單個細胞的無標(biāo)記、非侵入性和內(nèi)在表型譜，可用于表征細胞類型、生理狀態(tài)和細胞功能 。典型的 SCRS 提供單個細胞的內(nèi)在化學(xué)“指紋”，通常包含多參數(shù)（> 1000 個讀數(shù)），包括關(guān)于核酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂質(zhì)的豐富信息。由于 SCRS 測量分子鍵的振動，因此它對穩(wěn)定同位素化合物很敏感，并且當(dāng)細胞將穩(wěn)定同位素化合物（例如13 C-、15 N-底物或來自重水 D 2 O 的2 H ）結(jié)合到細胞的構(gòu)建模塊（例如 DNA、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)或碳水化合物）。SCRS 提供了一種將細胞與特定功能（例如 C/N 代謝和代謝活動）聯(lián)系起來并在單個細胞水平上定義感興趣的細胞的獨特方法。RACS 系統(tǒng)由 SCRS 檢測系統(tǒng)和細胞分離系統(tǒng)組成，可以是光鑷 、微流體裝置 或單細胞噴射系統(tǒng) 。

RACS 將識別感興趣的細胞并分離它們以進行下游單細胞組學(xué)分析。分離的單細胞將在微流控芯片上進行處理，以進行 DNA/RNA 提取和擴增。然后可以對 DNA/RNA 進行量化或測序，以解碼特定細胞的基因組或轉(zhuǎn)錄組。這樣的平臺直接建立了單個細胞的基因型和表型之間的聯(lián)系，從而為研究環(huán)境和遺傳的變異性如何影響單個細胞的表型提供了前所未有的機會。

單細胞生物技術(shù)不僅將成為微生物學(xué)的有力工具，也預(yù)示著單細胞生物學(xué)將成為細胞生物學(xué)的新前沿。單細胞是生命的基本功能單位，所有生物都是從單細胞開始的。通過研究單個細胞來了解細胞如何工作是細胞生物學(xué)的重要組成部分，而單細胞技術(shù)促進了對細胞生物學(xué)的更深入了解。近期對單個細胞的研究表明，同一群體中的單個細胞在功能上可能存在顯著差異，這些差異具有深遠的生物學(xué)意義，從細菌生理到胚胎細胞發(fā)育、組織分化、癌細胞形成和進化。

綜上所述，未來十年，單細胞生物技術(shù)有望像DNA測序一樣迅速進入生物實驗室的平臺，并滲透到生命科學(xué)和生物技術(shù)的各個分支。他們承諾揭示基本的生物學(xué)原理并改進疾病的診斷和治療，揭示細菌在土壤、植物和人類中的生態(tài)作用，并促進發(fā)現(xiàn)用于工業(yè)的新基因功能。