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，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)境生物修復新的生物降解基因。



宏基因組學通過從環(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（基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學）的新領域。

對于單細胞生物技術(shù)，存在許多關鍵挑戰(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)，它克服了外部標記的要求。單細胞拉曼光譜 (SCRS) 提供了單個細胞的無標記、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“指紋”，通常包含多參數(shù)（> 1000 個讀數(shù)），包括關于核酸、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的有力工具，也預示著單細胞生物學將成為細胞生物學的新前沿。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的重要組成部分，而單細胞技術(shù)促進了對細胞生物學的更深入了解。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，并滲透到生命科學和生物技術(shù)的各個分支。他們承諾揭示基本的生物學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。