人工細胞表型測試方法學的瓶頸和發展方向

針對活體無損、非標記式、提供全景式表型、能分辨復雜功能、快速高通量且低成本、能與組學分析聯動等挑戰，單細胞光譜成像與分選具有重要的特色與優勢。這一貫通光譜學與遺傳學、連接單細胞表型組與單細胞功能基因組的橋梁，正在迅速延伸與拓寬。然而，其潛力的挖掘與實現還需要諸多方面的努力，同時也帶來了巨大的機遇。

基于光譜的單細胞表型組測量。一方面，多種熒光探針的并行或復合使用，能夠拓展在單細胞中同時檢測的靶標分子數目；但是，由于多色熒光之間的相互干擾，多個基因功能表型的同時檢測仍然是重要挑戰。另一方面，盡管基于單細胞拉曼光譜的拉曼組能夠在無需探針的前提下測量底物代謝活性、產物譜、環境應激等諸多表型，但是單細胞精度同時測量這些表型的“全景式”表型組分析尚需結合特定應用進行示范。同時，單細胞層面的表型測量不可避免地帶有基因表達的隨機性所引入的噪音，因此，這些噪音的定量和溯源，是從單細胞光譜表型推斷細胞群體或群落層面的表型、乃至區分單細胞狀態變化或基因型變化的關鍵。

“靶標分子特異性”與“全景式表型測量”兼顧的單細胞光譜成像。基于熒光探針的設計實現靶標分子的高特異性檢測是熒光光譜的特色，而拉曼光譜能夠對自然界幾乎任何細胞直接分析多種表型，兩者之間的優勢互補、耦合使用，并證明“靶標分子特異性”與“全景式表型測量”的兼容性，將大大拓展單細胞科學與單細胞技術的應用領域，是很有前景的研究方向。例如，新近提出的生物正交標記受激拉曼散射顯微活細胞成像技術，基于炔基單一化學鍵標記的受激拉曼散射，突破了成像標記基團的尺寸極限；而且炔基報告基團幾乎沒有拉曼背景干擾，即在拉曼光譜上“生物正交”。炔基代謝標記生物分子技術和受激拉曼顯微成像技術的結合，實現了活細胞的脂類、核酸、蛋白質和糖類的特異性拉曼成像。同時，熒光光譜和拉曼光譜的聯用在腫瘤檢測等方面已有一定應用。此外，在單細胞水平，光譜參數與電學參數、力學參數等的并行測量與分選，將把單細胞表型組在合成生物學的應用推向新的維度，并在動物、植物、微生物等領域的高通量表型監測和分子育種等方面作出重要貢獻。在基于光譜的單細胞表型組方面，除了多模態檢測與分選原理及核心器件的創新，人工智能與大數據技術也將發揮不可或缺的作用。

單細胞“成像—分選—測序—培養—大數據”全流程的標準化與裝備化與智能化。首先，在一定程度上，對于拉曼、紅外等非標記式光譜來說，單細胞光譜信號質量與細胞承受的激發光能量成正相關。因此，光譜采集可能對細胞及其核酸造成損傷，導致分選后單細胞培養成活率低、單細胞基因組擴增的效率低，同時也阻礙了光譜采集—分選流程通量的提高。雖然我們的前期數據表明，流式拉曼檢測和微液滴包裹能激光照射后細胞的活性并且提高拉曼分選后核酸擴增與測序的質量，然而如何在保證細胞活性與信號質量的同時，繼續大幅度提高測量與分選的通量，這仍需要創新的解決方案。另一方面，單細胞拉曼、紅外光譜的測量與分析的方法學還在不斷優化中，其實驗流程、計算分析以及數據等方面離標準化均還有相當距離。因此，迫切需要通過業界的合作，種細胞類型和應用場景來建立相應的光譜采集與分析技術與裝備標準，為將來基于分子光譜的單細胞“表型組-基因組”大數據的大規模采集與共享奠定基礎。

此外，單細胞光譜測試設備的原理各異，故適合測量的細胞類型與狀態也不盡相同。例如，由于光合色素的存在，光合細胞往往需要一個“淬滅”過程才能測量拉曼全譜，有可能影響分析與分選的速度。因此，構建一套完全自動化的合成生物鑄造平臺，還需要考慮光譜檢測原理與細胞性質之間、各種表型測試設備之間，以及基因型設計和合成等環節與細胞表型測試環節之間，在工作原理、操作過程和分析通量等方面的不同要求。在此基礎上，借助大數據和云計算，一系列針對特定單細胞測試、分選、測序與培養需求的新型裝備與技術服務網絡將不斷涌現，以支撐合成生物鑄造平臺的規模化與智能化。