细胞生长主要分为滞后期、对数期、稳定期和凋亡期4个时期，不同的生长时期表现出不同的代谢和生产能力[1]，检测单细胞生长可以更加科学地揭示微生物代谢变化的规律[2]。

　　在食品微生物检测中[3]，能够在生长的不同时间点识别和检测特定的细菌是非常重要的，一方面可以通过抑制食品中腐败菌（或致病菌）分裂增殖使其停留在滞后期抑制食品污染；另一方面，通过诱导微生物源保鲜剂（如枯草芽孢杆菌等）进入对数期来抑制腐败菌生长，以保持食品良好的感官品质和理化特性，有效延长食品货架期。

　　在发酵工程中[4]，单细胞的生理状态是决定发酵产品产量的唯一因素，发酵环境随着底物消耗和产物合成不断变化，导致不同生长时期的发酵细胞代谢不同，产量也不同。随着发酵原料成本的增加、环保意识的增强，对发酵过程的精准控制要求越来越高，从单细胞水平上检测发酵细胞生长时期，并进行特定干预措施改造发酵环境，使发酵细胞处于最佳的生长和生产状态，是实现发酵过程精准调控并获得最佳产量的先决条件。

传统细胞生长检测方法

　　在微生物生长检测中，我们通常使用两种主要方法来了解微生物的生长情况。第一种方法是通过显微观察细菌生长的大小和形状或通过吸光度来检测细菌增殖的密度[5-6]。这是一种非常传统的方式，它需要培养一大群细菌并等待其增殖，所以需要很长时间来得出结果。第二种方法是使用分子生物学技术，如基因芯片和聚合酶链式反应[7]。这些技术非常敏感，可以检测到微生物的微小变化，但它们需要破坏细菌的结构才能进行检测，这可能会影响细菌的生长。而且，它们不能在单细胞层面检测细菌生长情况。还有一些其他技术，如显微技术和流式细胞技术[8]，也可以用于细菌检测。但这些方法通常需要在细菌上添加荧光标记，这可能会对细菌的生理功能产生干扰，并且不适合用于活细菌的生长监测。总的来说，微生物生长检测是一个复杂的过程，需要根据具体的情况选择合适的方法来获得准确的结果。

单细胞拉曼光谱技术

　　拉曼光谱技术是一种用于分析物质结构的方法[9-10]，它的原理是利用光的散射现象来获取物质的信息。当一束光照射到物质上时，一部分光会被物质吸收，另一部分光会被散射，拉曼光谱技术就是利用这种散射光来获取关于物质结构的详细信息，可以用于检测化学物质、生物物质、矿物质等等。

　　单细胞拉曼光谱技术是一种用于分析细胞的方法，它可以提供细胞在特定生长状态下的丰富信息。这种技术具有快速、灵敏和原位非侵入的优势，可以用于在菌株水平上识别细菌。此外，它还可以用于检测细胞内的蛋白质、核酸、脂类等物质，确定微生物细胞所处的各阶段生命周期。

细胞生长的探究过程

　　为了探究单细胞生长的秘密，吉林大学李肃义团队提出一种新的基于极限梯度提升（eXtreme gradient boosting, XGBoost）模型和拉曼技术的单细胞生长检测方法（图1），主要过程可以概括为以下五个步骤（详情请点击阅读原文，吉林大学研究生创新基金（2022059）资助项目）：

图1 探究单细胞生长的过程

　　(1)数据采集：这包括选择合适的细胞样本，确定采集数据的条件，以及将数据分成不同的部分，以便更好地进行分析。

　　(2)数据预处理：采集到的数据通常很杂乱，我们需要对它进行整理和清理，以确保数据的质量。

　　(3)特征筛选：需要找出哪些数据特征对于细胞生长的研究最有帮助。这就像是从一堆书中挑选出最重要的章节一样，这样我们就可以更集中地关注关键信息。

　　(4)建立模型：有了清理过的数据和关键特征，可以开始构建一个数学模型，来帮助我们理解细胞的生长模式。这个模型将根据已知的细胞拉曼光谱来推测细胞所处细胞生长周期，并且还需要确定如何评估模型的准确性。

　　(5)应用方法：将建立的模型应用到实际的研究中。这意味着我们可以使用这个模型来检测细胞的生长，验证模型是否能够在不同情况下都有效。

展望

　　随着拉曼光谱技术的不断进步，单细胞生长检测方法将变得更加精确、高通量和高效。新的检测技术结合了机器学习和化学分析技术，将为单细胞生长检测提供更多选择和可能性，能够帮助科学家更好地理解细胞生长的过程，进一步检测细胞在生长过程中胞内核酸、蛋白质、脂类等化合物成分的动态变化，以便更深入的对细胞生长标志物发现和抑菌机理等进行研究。另一方面，随着单细胞生长检测拉曼光谱数据的不断积累，数据分析和挖掘的重要性也日益凸显，发展更加智能化和高效的数据分析算法和工具，可以帮助揭示单细胞生长的规律和机制，为生物学研究和应用提供更深入的理解和指导。单细胞生长检测领域具有广阔的前景和潜力，随着技术的不断进步和应用的拓展，我们可以期待在单细胞水平上更深入、全面地理解生命的奥秘，并为生物科学和医学领域的发展做出更大的贡献。

　　参考文献

　　[1] Mukherjee R, Verma T, Nandi D, et al. Understanding the effects of culture conditions in bacterial growth: a biochemical perspective using Raman microscopy. J Biophotonics, 2020, 13(1): e201900233

　　[2] 郭娟,张进,王佳敏,等.天然抗菌剂在食品包装中的研究进展.食品科学, 2021,42(9):336-346

　　[3] 朱亚珠,夏率博,陈琳,等.一株贝莱斯芽孢杆菌的生长特性及抑菌活性研究.食品科学技术学报, 2022, 40(1): 85-92

　　[4] Ren Y, Ji Y, Teng L, et al. Using Raman spectroscopy and chemometrics to identify the growth phase of Lactobacillus casei Zhang during batch culture at the single-cell level. Microb Cell Fact, 2017, 16(1): 233

　　[5] 方涵书,郎明非,孙晶. 细胞周期分析新方法. 分析化学, 2019, 47(9): 1293-1301

　　[6] Zavřel T, Faizi M, Loureiro C, et al. Quantitative insights into the cyanobacterial cell economy. Elife, 2019, 8: e42508

　　[7] 何景,程楠,许文涛.食品微生物新型快速筛查技术研究进展.食品科学, 2015, 36(13) :288-293

　　[8] 刘道亮,赵占民,胡连霞,等. 应用流式细胞技术快速检测液态商品中的细菌总数.食品科学, 2011, 2: 157-163

　　[9] Li R, Dhankhar D, Chen J, et al. Identification of live and dead bacteria: a Raman spectroscopic study. IEEE Access, 2019, 7: 23549-23559

　　[10] Lu W, Chen X, Wang L, et al. Combination of an artificial intelligence approach and laser tweezers Raman spectroscopy for microbial identification. Anal Chem, 2020, 92(9): 6288-6296

　　作者简介

　　李新立：吉林大学博士研究生，研究方向为生物医学光谱数据分析。

（作者：李新立）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）