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

人工细胞表型测试方法学的瓶颈和发展方向

针对活体无损、非标记式、提供全景式表型、能分辨复杂功能、快速高通量且低成本、能与组学分析联动等挑战，单细胞光谱成像与分选具有重要的特色与优势。这一贯通光谱学与遗传学、连接单细胞表型组与单细胞功能基因组的桥梁，正在迅速延伸与拓宽。然而，其潜力的挖掘与实现还需要诸多方面的努力，同时也带来了巨大的机遇。

基于光谱的单细胞表型组测量。一方面，多种荧光探针的并行或复合使用，能够拓展在单细胞中同时检测的靶标分子数目；但是，由于多色荧光之间的相互干扰，多个基因功能表型的同时检测仍然是重要挑战。另一方面，尽管基于单细胞拉曼光谱的拉曼组能够在无需探针的前提下测量底物代谢活性、产物谱、环境应激等诸多表型，但是单细胞精度同时测量这些表型的“全景式”表型组分析尚需结合特定应用进行示范。同时，单细胞层面的表型测量不可避免地带有基因表达的随机性所引入的噪音，因此，这些噪音的定量和溯源，是从单细胞光谱表型推断细胞群体或群落层面的表型、乃至区分单细胞状态变化或基因型变化的关键。

“靶标分子特异性”与“全景式表型测量”兼顾的单细胞光谱成像。基于荧光探针的设计实现靶标分子的高特异性检测是荧光光谱的特色，而拉曼光谱能够对自然界几乎任何细胞直接分析多种表型，两者之间的优势互补、耦合使用，并证明“靶标分子特异性”与“全景式表型测量”的兼容性，将大大拓展单细胞科学与单细胞技术的应用领域，是很有前景的研究方向。例如，新近提出的生物正交标记受激拉曼散射显微活细胞成像技术，基于炔基单一化学键标记的受激拉曼散射，突破了成像标记基团的尺寸极限；而且炔基报告基团几乎没有拉曼背景干扰，即在拉曼光谱上“生物正交”。炔基代谢标记生物分子技术和受激拉曼显微成像技术的结合，实现了活细胞的脂类、核酸、蛋白质和糖类的特异性拉曼成像。同时，荧光光谱和拉曼光谱的联用在肿瘤检测等方面已有一定应用。此外，在单细胞水平，光谱参数与电学参数、力学参数等的并行测量与分选，将把单细胞表型组在合成生物学的应用推向新的维度，并在动物、植物、微生物等领域的高通量表型监测和分子育种等方面作出重要贡献。在基于光谱的单细胞表型组方面，除了多模态检测与分选原理及核心器件的创新，人工智能与大数据技术也将发挥不可或缺的作用。

单细胞“成像—分选—测序—培养—大数据”全流程的标准化与装备化与智能化。首先，在一定程度上，对于拉曼、红外等非标记式光谱来说，单细胞光谱信号质量与细胞承受的激发光能量成正相关。因此，光谱采集可能对细胞及其核酸造成损伤，导致分选后单细胞培养成活率低、单细胞基因组扩增的效率低，同时也阻碍了光谱采集—分选流程通量的提高。虽然我们的前期数据表明，流式拉曼检测和微液滴包裹能激光照射后细胞的活性并且提高拉曼分选后核酸扩增与测序的质量，然而如何在保证细胞活性与信号质量的同时，继续大幅度提高测量与分选的通量，这仍需要创新的解决方案。另一方面，单细胞拉曼、红外光谱的测量与分析的方法学还在不断优化中，其实验流程、计算分析以及数据等方面离标准化均还有相当距离。因此，迫切需要通过业界的合作，种细胞类型和应用场景来建立相应的光谱采集与分析技术与装备标准，为将来基于分子光谱的单细胞“表型组-基因组”大数据的大规模采集与共享奠定基础。

此外，单细胞光谱测试设备的原理各异，故适合测量的细胞类型与状态也不尽相同。例如，由于光合色素的存在，光合细胞往往需要一个“淬灭”过程才能测量拉曼全谱，有可能影响分析与分选的速度。因此，构建一套完全自动化的合成生物铸造平台，还需要考虑光谱检测原理与细胞性质之间、各种表型测试设备之间，以及基因型设计和合成等环节与细胞表型测试环节之间，在工作原理、操作过程和分析通量等方面的不同要求。在此基础上，借助大数据和云计算，一系列针对特定单细胞测试、分选、测序与培养需求的新型装备与技术服务网络将不断涌现，以支撑合成生物铸造平台的规模化与智能化。