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

单细胞光谱检测技术的类型

代谢物是细胞中基因表达的最终产物，也通常是细胞表型与功能的最直接载体，因此代谢物组的检测，包括代谢状态的识别，是细胞功能检测最直接、最有效的手段之一。目前在人工细胞测试的流程中，通常用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、液相色谱-质谱联用仪（HPLC-MS）或核磁共振（NMR）对细胞“群体”或“群落”进行系统分析，从而实现细胞功能的检测。但是单个细胞尤其是单个微生物细胞的代谢物极为微量，而且难以像核酸那样进行扩增，因此，受到现有质谱、色谱与核磁检测灵敏度的限制，单细胞代谢组分析目前仍然存在困难。此外，这些方法的前提通常是裂解细胞以提取或制备胞内代谢物，因此难以和目标单细胞的后继培养或基因组与转录组分析直接对接。而单细胞光谱则是在特定时间、空间与状态下针对一个单细胞采集的分子光谱，能够体现与展示胞内代谢物（组）的特征，而且测量过程可以是非侵入性、非破坏性乃至维持活体状态，故通过光谱激活的细胞分选能够将特定光谱的细胞分离出来，进而与单细胞培养和各种破坏性的单细胞功能基因组分析直接对接。因此，单细胞光谱技术是克服上述挑战的有效手段。

基于荧光光谱的细胞功能检测。荧光光谱具有灵敏度高、特异性好、分析通量高等优势，是目前应用最为广泛的单细胞表型检测技术之一。然而大多数细胞均没有自荧光，通常需要设计荧光探针，对细胞进行荧光标记。常用的细胞荧光探针包括小分子荧光染料和荧光蛋白等。部分小分子荧光染料能穿透细胞膜进入细胞内部直接标记目标分子，如小分子酶荧光探针可对细胞内的酶进行检测和成像。此外，小分子荧光探针也可通过连接抗体，特异性地标记细胞表面抗原，从而实现细胞功能检测。荧光蛋白（如绿色荧光蛋白）是另一类重要的荧光探针，常作为报告基因与目标基因进行融合表达，以检测目标基因在细胞中的表达情况，从而刻画基因表达的动态过程及其功能异质性。荧光蛋白也可检测细胞内代谢小分子。例如，一系列特异性检测评价辅酶 NADPH 的高性能遗传编码荧光探针 iNap，实现了在活体动物、活细胞及各种亚细胞结构中对 NADPH 代谢的高时空分辨检测与成像；可基因编码的多巴胺荧光探针和新型乙酰胆碱荧光探针，能在果蝇、斑马鱼和小鼠中检测内源多巴胺和乙酰胆碱的动态变化。目前，基于荧光探针的细胞功能检测已被广泛应用于基因的表达调控、蛋白质空间定位与转运、蛋白折叠、信号传导、蛋白酶活性分析、生物分子相互作用和细胞代谢动态过程检测等研究领域。尽管基于荧光光谱的细胞功能检测具备诸多优点，但是，需要预知生物标示物，需要对细胞进行标记甚至是遗传操作，以及通常只能同时检测少数标记分子等前提条件也从原理上限制了荧光检测在生物元件挖掘与细胞表型检测中的广泛应用。对于自然界中绝大部分的微生物细胞，其生物标识物经常未知，也没有普适性的细胞标记方法，因此荧光检测的细胞类型适用范围相对较窄。即使对于大肠杆菌、酵母等常见的底盘细胞，构成细胞表型组的大部分表型，如各种底物的代谢活性、代谢产物谱、环境应激性、细胞间互作等，通常也难以用一种通用的荧光标记的方法来直接测量，往往需要构建独立的细胞荧光传感器。而在细胞中导入基于荧光的胞内传感器，通常需要通过转录因子等的设计和改造，将特定代谢物含量等信息转换为细胞的荧光强度；这种对细胞进行 DNA 转化乃至遗传操作的前提，限制了适用的细胞类型与应用场景。尤其重要的是，出色的靶标分子特异性与多靶标同时检测可能是相互排斥的，由于多色荧光之间的相互干扰，目前多个基因功能表型的同时检测还无法广泛应用，难以实现针对表型组的“全景式”测量。