人工细胞的表型测试与分选：构建从光谱学到遗传学的桥梁

中国网/中国发展门户网讯 合成生物学的核心使命是在阐明并模拟生物合成基本规律的基础之上，人工设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统，从而建立药物、功能材料或能源替代品等的生物制造途径。其技术的跨越式发展，取决于“基因型设计”“基因型合成”与“细胞表型测试”这三大共性技术环节（design-build-test）的突破。近年来，随着基因组测序与合成在通量与成本上的大幅度改进，以及基因组编辑技术的广泛应用，业界设计和构建突变体甚至人工细胞的能力已经突飞猛进。然而，细胞表型测试速度与通量的发展却缓慢得多，有时候甚至落后几个数量级。例如，从基因型突变体库来筛选目标表型组合的细胞通常需要花费大量的人力、经费和时间（生产抗疟药前体的微生物细胞工厂的筛选约动用了 150 人年的工作量）。因此，细胞表型测试已经成为合成生物技术发展的“限速步骤”之一。

人工细胞表型测试技术的现状

基于光谱的单细胞表型测试

无论是从天然环境中寻找、识别和鉴定生物元件与模块，还是表征、理解和筛选人工设计的基因回路与网络，关键环节之一均是其活性以及功能在活体细胞内的快速测试与评价。单个细胞是地球上生命的基本单元和进化的基本单位，因此，单细胞分析技术，即在单个细胞精度上的功能识别与表征，能够在最“深”的水平挖掘生命元件、刻画细胞功能与理解生命过程。同时，单细胞分析不依赖于细胞培养而直接分析每个细胞个体的功能，因此能够克服环境中大部分微生物细胞尚难培养这一挑战，这对于从人体与环境微生物组中挖掘生物元件、模块或底盘细胞具有重大的意义。

单细胞检测分析技术的特征

对于细胞功能的快速测试与评价而言，理想的单细胞分析技术需要具备 6 个特征：①活体检测。在很多情况下，元件与模块的功能，只有在活体细胞中进行非侵入式（即对细胞状态的扰动最小化）的测量与探究才具有生物学意义。同时，活体检测意味着，经检测后的细胞可直接进行后续培养或其他操作。②不需标记。如前所述，从天然元件的挖掘角度讲，自然界中微生物细胞具极大遗传多样性，并且通常尚难以培养，因此目前尚无对复杂微生物组中的细胞类型广谱适用的细胞标记手段。从基于大肠杆菌、酵母等底盘细胞的基因功能筛选角度讲，与潜在需要测量的细胞功能相比，能够利用荧光探针等对细胞进行标记的表型与功能仍极为有限。因此，非标记式的细胞检测具有重要优势。③提供全景式的表型信息。研究人员感兴趣的许多细胞功能是由多个表型共同反映或决定的，如果只测量单一的表型或单个化合物、蛋白、基因的表征，往往难以探测目标功能，而同时能提供多种表型乃至测量表型组的“全景式”分析则具有重要的优势。④能分辨复杂功能。许多重要甚至核心的细胞功能由多个基因共同反映或决定，因此针对单一蛋白或化合物分子的检测经常难以分辨与识别这类功能。⑤快速、高通量与低成本。平板上的一个菌落中可包括10⁹个细胞，因此单细胞精度的表型分析对于速度、通量和成本提出了比单菌落层面更高的要求。⑥与单细胞功能基因组分析联动。单细胞精度的基因组、转录组、蛋白质、代谢组、表观组等是生命科学方法学研究前沿进展最迅速的领域之一。如果能够通过细胞分选，将单细胞表型或表型组的分析与这些单细胞功能基因组手段直接对接，将能够在真正意义上建立单细胞精度的“表型-基因型”模型，从而带来细胞个体、细胞群体乃至细胞群落层面合成生物学的突破。