據(jù)估計(jì)，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(xì)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(xì)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(qiáng)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(duì)其進(jìn)行測(cè)序來規(guī)避培養(yǎng)問題，這種方法揭示了對(duì)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(yàn)證通常復(fù)雜的微生物群的個(gè)別成員的具體作用。單細(xì)胞生物技術(shù)將微生物細(xì)胞的天然微生物群中的微生物細(xì)胞逐個(gè)表征，為研究未培養(yǎng)的細(xì)菌提供了一種新方法。一個(gè)理想的平臺(tái)是將準(zhǔn)確且“無污染”的單細(xì)胞分選工具與強(qiáng)大的下一代 DNA 測(cè)序相結(jié)合。這將迎來單細(xì)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(duì)于單細(xì)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(xì)胞分析、細(xì)胞表型與特定生態(tài)功能（例如底物代謝）的聯(lián)系、克服測(cè)量參數(shù)的限制、給定的系統(tǒng)分化細(xì)胞的狀態(tài)或表型以及從復(fù)雜樣品原位分離活的單細(xì)胞。

在各種單細(xì)胞分選技術(shù)中，一種新興的方法是拉曼激活細(xì)胞分選 (RACS)，它克服了外部標(biāo)記的要求。單細(xì)胞拉曼光譜 (SCRS) 提供了單個(gè)細(xì)胞的無標(biāo)記、非侵入性和內(nèi)在表型譜，可用于表征細(xì)胞類型、生理狀態(tài)和細(xì)胞功能 。典型的 SCRS 提供單個(gè)細(xì)胞的內(nèi)在化學(xué)“指紋”，通常包含多參數(shù)（> 1000 個(gè)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(cè)量分子鍵的振動(dòng)，因此它對(duì)穩(wěn)定同位素化合物很敏感，并且當(dāng)細(xì)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(xì)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(xì)胞與特定功能（例如 C/N 代謝和代謝活動(dòng)）聯(lián)系起來并在單個(gè)細(xì)胞水平上定義感興趣的細(xì)胞的獨(dú)特方法。RACS 系統(tǒng)由 SCRS 檢測(cè)系統(tǒng)和細(xì)胞分離系統(tǒng)組成，可以是光鑷 、微流體裝置 或單細(xì)胞噴射系統(tǒng) 。

RACS 將識(shí)別感興趣的細(xì)胞并分離它們以進(jìn)行下游單細(xì)胞組學(xué)分析。分離的單細(xì)胞將在微流控芯片上進(jìn)行處理，以進(jìn)行 DNA/RNA 提取和擴(kuò)增。然后可以對(duì) DNA/RNA 進(jìn)行量化或測(cè)序，以解碼特定細(xì)胞的基因組或轉(zhuǎn)錄組。這樣的平臺(tái)直接建立了單個(gè)細(xì)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(gè)細(xì)胞的表型提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

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

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