中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 合成生物學(xué)的核心使命是在闡明并模擬生物合成基本規(guī)律的基礎(chǔ)之上，人工設(shè)計(jì)并構(gòu)建新的、具有特定生理功能的生物系統(tǒng)，從而建立藥物、功能材料或能源替代品等的生物制造途徑。其技術(shù)的跨越式發(fā)展，取決于“基因型設(shè)計(jì)”“基因型合成”與“細(xì)胞表型測試”這三大共性技術(shù)環(huán)節(jié)（design-build-test）的突破。近年來，隨著基因組測序與合成在通量與成本上的大幅度改進(jìn)，以及基因組編輯技術(shù)的廣泛應(yīng)用，業(yè)界設(shè)計(jì)和構(gòu)建突變體甚至人工細(xì)胞的能力已經(jīng)突飛猛進(jìn)。然而，細(xì)胞表型測試速度與通量的發(fā)展卻緩慢得多，有時(shí)候甚至落后幾個(gè)數(shù)量級。例如，從基因型突變體庫來篩選目標(biāo)表型組合的細(xì)胞通常需要花費(fèi)大量的人力、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（生產(chǎn)抗瘧藥前體的微生物細(xì)胞工廠的篩選約動用了?150?人年的工作量）。因此，細(xì)胞表型測試已經(jīng)成為合成生物技術(shù)發(fā)展的“限速步驟”之一。

人工細(xì)胞表型測試技術(shù)的現(xiàn)狀

基于光譜的單細(xì)胞表型測試

無論是從天然環(huán)境中尋找、識別和鑒定生物元件與模塊，還是表征、理解和篩選人工設(shè)計(jì)的基因回路與網(wǎng)絡(luò)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一均是其活性以及功能在活體細(xì)胞內(nèi)的快速測試與評價(jià)。單個(gè)細(xì)胞是地球上生命的基本單元和進(jìn)化的基本單位，因此，單細(xì)胞分析技術(shù)，即在單個(gè)細(xì)胞精度上的功能識別與表征，能夠在最“深”的水平挖掘生命元件、刻畫細(xì)胞功能與理解生命過程。同時(shí)，單細(xì)胞分析不依賴于細(xì)胞培養(yǎng)而直接分析每個(gè)細(xì)胞個(gè)體的功能，因此能夠克服環(huán)境中大部分微生物細(xì)胞尚難培養(yǎng)這一挑戰(zhàn)，這對于從人體與環(huán)境微生物組中挖掘生物元件、模塊或底盤細(xì)胞具有重大的意義。

單細(xì)胞檢測分析技術(shù)的特征

對于細(xì)胞功能的快速測試與評價(jià)而言，理想的單細(xì)胞分析技術(shù)需要具備?6?個(gè)特征：①活體檢測。在很多情況下，元件與模塊的功能，只有在活體細(xì)胞中進(jìn)行非侵入式（即對細(xì)胞狀態(tài)的擾動最小化）的測量與探究才具有生物學(xué)意義。同時(shí)，活體檢測意味著，經(jīng)檢測后的細(xì)胞可直接進(jìn)行后續(xù)培養(yǎng)或其他操作。②不需標(biāo)記。如前所述，從天然元件的挖掘角度講，自然界中微生物細(xì)胞具極大遺傳多樣性，并且通常尚難以培養(yǎng)，因此目前尚無對復(fù)雜微生物組中的細(xì)胞類型廣譜適用的細(xì)胞標(biāo)記手段。從基于大腸桿菌、酵母等底盤細(xì)胞的基因功能篩選角度講，與潛在需要測量的細(xì)胞功能相比，能夠利用熒光探針等對細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記的表型與功能仍極為有限。因此，非標(biāo)記式的細(xì)胞檢測具有重要優(yōu)勢。③提供全景式的表型信息。研究人員感興趣的許多細(xì)胞功能是由多個(gè)表型共同反映或決定的，如果只測量單一的表型或單個(gè)化合物、蛋白、基因的表征，往往難以探測目標(biāo)功能，而同時(shí)能提供多種表型乃至測量表型組的“全景式”分析則具有重要的優(yōu)勢。④能分辨復(fù)雜功能。許多重要甚至核心的細(xì)胞功能由多個(gè)基因共同反映或決定，因此針對單一蛋白或化合物分子的檢測經(jīng)常難以分辨與識別這類功能。⑤快速、高通量與低成本。平板上的一個(gè)菌落中可包括10⁹個(gè)細(xì)胞，因此單細(xì)胞精度的表型分析對于速度、通量和成本提出了比單菌落層面更高的要求。⑥與單細(xì)胞功能基因組分析聯(lián)動。單細(xì)胞精度的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)、代謝組、表觀組等是生命科學(xué)方法學(xué)研究前沿進(jìn)展最迅速的領(lǐng)域之一。如果能夠通過細(xì)胞分選，將單細(xì)胞表型或表型組的分析與這些單細(xì)胞功能基因組手段直接對接，將能夠在真正意義上建立單細(xì)胞精度的“表型-基因型”模型，從而帶來細(xì)胞個(gè)體、細(xì)胞群體乃至細(xì)胞群落層面合成生物學(xué)的突破。