中國網/中國發展門戶網訊 合成生物學的核心使命是在闡明并模擬生物合成基本規律的基礎之上，人工設計并構建新的、具有特定生理功能的生物系統，從而建立藥物、功能材料或能源替代品等的生物制造途徑。其技術的跨越式發展，取決于“基因型設計”“基因型合成”與“細胞表型測試”這三大共性技術環節（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，以及基因組編輯技術的廣泛應用，業界設計和構建突變體甚至人工細胞的能力已經突飛猛進。然而，細胞表型測試速度與通量的發展卻緩慢得多，有時候甚至落后幾個數量級。例如，從基因型突變體庫來篩選目標表型組合的細胞通常需要花費大量的人力、經費和時間（生產抗瘧藥前體的微生物細胞工廠的篩選約動用了?150?人年的工作量）。因此，細胞表型測試已經成為合成生物技術發展的“限速步驟”之一。

人工細胞表型測試技術的現狀

基于光譜的單細胞表型測試

無論是從天然環境中尋找、識別和鑒定生物元件與模塊，還是表征、理解和篩選人工設計的基因回路與網絡，關鍵環節之一均是其活性以及功能在活體細胞內的快速測試與評價。單個細胞是地球上生命的基本單元和進化的基本單位，因此，單細胞分析技術，即在單個細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、刻畫細胞功能與理解生命過程。同時，單細胞分析不依賴于細胞培養而直接分析每個細胞個體的功能，因此能夠克服環境中大部分微生物細胞尚難培養這一挑戰，這對于從人體與環境微生物組中挖掘生物元件、模塊或底盤細胞具有重大的意義。

單細胞檢測分析技術的特征

對于細胞功能的快速測試與評價而言，理想的單細胞分析技術需要具備?6?個特征：①活體檢測。在很多情況下，元件與模塊的功能，只有在活體細胞中進行非侵入式（即對細胞狀態的擾動最小化）的測量與探究才具有生物學意義。同時，活體檢測意味著，經檢測后的細胞可直接進行后續培養或其他操作。②不需標記。如前所述，從天然元件的挖掘角度講，自然界中微生物細胞具極大遺傳多樣性，并且通常尚難以培養，因此目前尚無對復雜微生物組中的細胞類型廣譜適用的細胞標記手段。從基于大腸桿菌、酵母等底盤細胞的基因功能篩選角度講，與潛在需要測量的細胞功能相比，能夠利用熒光探針等對細胞進行標記的表型與功能仍極為有限。因此，非標記式的細胞檢測具有重要優勢。③提供全景式的表型信息。研究人員感興趣的許多細胞功能是由多個表型共同反映或決定的，如果只測量單一的表型或單個化合物、蛋白、基因的表征，往往難以探測目標功能，而同時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勢。④能分辨復雜功能。許多重要甚至核心的細胞功能由多個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。平板上的一個菌落中可包括10⁹個細胞，因此單細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與單細胞功能基因組分析聯動。單細胞精度的基因組、轉錄組、蛋白質、代謝組、表觀組等是生命科學方法學研究前沿進展最迅速的領域之一。如果能夠通過細胞分選，將單細胞表型或表型組的分析與這些單細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胞精度的“表型-基因型”模型，從而帶來細胞個體、細胞群體乃至細胞群落層面合成生物學的突破。