Machine learning-assisted single-cell Raman imaging for rapid, sensitive detection and intracellular mapping of carotenoids in plant cell cultures
- 作者
- Bárbara A. Rebelo, Ensieh Iranmehr, Begoña Espina, Laura Rodriguez-Lorenzo, Rita Abranches
- 单位
- Instituto de Tecnologia Quimica E Biologica Antonio Xavier (ITQB NOVA), Universidade Nova de Lisboa, 2780-157 Oeiras, Portugal; International Iberian Nanotechnology Laboratory, Av. Mestre Jose Veiga, 4715-330 Braga, Portugal
- 杂志
- Plant Cell Reports（2026）
- DOI
- 10.1007/s00299-026-03858-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发一种快速、灵敏、非破坏性的单细胞分析平台，用于检测和定位植物细胞培养物（烟草BY-2细胞）中的类胡萝卜素，并区分野生型与代谢工程改造细胞系，以替代耗时且需要复杂样品处理的传统色谱方法。
研究策略
结合表面增强拉曼散射（SERS）和单细胞拉曼成像，利用疏水性金纳米星（DDT-GNSs）增强信号，获取类胡萝卜素标准品的特征指纹；通过基于峰强度的自动过滤去除无效光谱，并采用多层感知器（MLP）神经网络回归模型，以HPLC数据为标签，预测细胞中虾青素、角黄素和β-胡萝卜素的含量，同时实现胞内定位。
研究路线图
核心内容
本研究开发了一种结合表面增强拉曼散射（SERS）与单细胞拉曼成像的机器学习分析平台，用于烟草BY-2细胞中类胡萝卜素的快速、灵敏检测与胞内定位。利用1-十二烷硫醇功能化的金纳米星增强信号，获取虾青素、角黄素和β-胡萝卜素在1160 cm⁻¹和1520 cm⁻¹附近的特征指纹；通过基于峰强度的自动光谱过滤去除无效数据，并以HPLC定量结果为标签，采用多层感知器（MLP）神经网络回归模型预测细胞中三种类胡萝卜素的含量。测试集最佳R²达0.9868，MSE为0.0023，显著优于ADAM优化器（R²=0.9216）。拉曼成像揭示工程细胞系中类胡萝卜素主要积累于靠近细胞核和细胞质膜的囊泡样结构，而野生型细胞几乎检测不到信号。HPLC定量显示，YIW135细胞中β-胡萝卜素含量高达3489.1 μg/g DW，YW02中虾青素为55.9 μg/g DW。该平台实现了非破坏性、无标记的单细胞代谢物定量与空间定位，大幅减少人工分析负担，为植物合成生物学的高通量筛选提供了有效工具。
创新点
['首次将机器学习（MLP神经网络）与单细胞拉曼成像结合，用于烟草BY-2细胞中类胡萝卜素的无标记检测和分类。', '使用1-十二烷硫醇功能化的金纳米星（DDT-GNSs）进行SERS分析，解决了低浓度类胡萝卜素标准品难以检测的问题。', '开发了基于特征峰（1160 cm⁻¹和1520 cm⁻¹）的自动光谱过滤方法，显著提高数据处理效率和模型准确性。', '在未分化的非光合BY-2细胞中揭示了类胡萝卜素定位于囊泡样结构（靠近细胞核和细胞质膜），为理解非绿色组织中的类胡萝卜素储存机制提供了新见解。']
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum BY-2细胞（野生型WT-D、WT-L） | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | — | 区室化 | 野生型细胞，类胡萝卜素含量低或低于检测限，用于对照。 |
| Nicotiana tabacum BY-2细胞（工程细胞系W04、YW02、IW09、YIW6、YIW135） | 类胡萝卜素生物合成途径（含酮类胡萝卜素合成） | — | — | 区室化 | 代谢工程改造，积累虾青素、角黄素和β-胡萝卜素，用于研究类胡萝卜素积累和定位。 |
| — | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | β-胡萝卜素酮醇酶（β-carotene ketolase） | 催化 | 催化β-胡萝卜素转化为角黄素（虾青素前体），野生型BY-2细胞缺乏此酶，工程细胞系中可能引入。 |
关键发现
- SERS分析显示虾青素、角黄素和β-胡萝卜素的特征峰位于1160 cm⁻¹和1520 cm⁻¹附近。机器学习模型（MLP）使用L-BFGS优化器时，测试集R²达到0.9868（最佳），MSE为0.0023，MAE为0.0226
- ADAM优化器最佳R²为0.9216。HPLC定量显示：W04细胞中虾青素42.0 μg/g DW、角黄素2.0 μg/g DW
- YW02中虾青素55.9 μg/g DW、角黄素3.1 μg/g DW
- IW09中虾青素3.1 μg/g DW、角黄素0.3 μg/g DW
- YIW6中β-胡萝卜素1972.0 μg/g DW
- YIW135中虾青素43.0 μg/g DW、角黄素20.3 μg/g DW、β-胡萝卜素3489.1 μg/g DW。拉曼成像显示，工程细胞系中类胡萝卜素主要积累在囊泡样结构中，靠近细胞核和细胞质膜，而野生型细胞中几乎检测不到。
研究结论
拉曼显微镜结合自动化机器学习工作流提供了一种非破坏性、快速、无标记的单细胞类胡萝卜素鉴定方法，能够在烟草BY-2细胞中揭示类胡萝卜素的囊泡样胞内定位，并基于拉曼光谱精确预测三种类胡萝卜素的含量（最佳R²=0.9868）。该方法显著减少人工分析负担，适用于高通量筛选，为植物合成生物学和代谢工程提供了有力工具。