人工細胞的表型測試與分選：構建從光譜學到遺傳學的橋梁

單細胞光譜檢測技術的類型

代謝物是細胞中基因表達的最終產物，也通常是細胞表型與功能的最直接載體，因此代謝物組的檢測，包括代謝狀態的識別，是細胞功能檢測最直接、最有效的手段之一。目前在人工細胞測試的流程中，通常用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）、液相色譜-質譜聯用儀（HPLC-MS）或核磁共振（NMR）對細胞“群體”或“群落”進行系統分析，從而實現細胞功能的檢測。但是單個細胞尤其是單個微生物細胞的代謝物極為微量，而且難以像核酸那樣進行擴增，因此，受到現有質譜、色譜與核磁檢測靈敏度的限制，單細胞代謝組分析目前仍然存在困難。此外，這些方法的前提通常是裂解細胞以提取或制備胞內代謝物，因此難以和目標單細胞的后繼培養或基因組與轉錄組分析直接對接。而單細胞光譜則是在特定時間、空間與狀態下針對一個單細胞采集的分子光譜，能夠體現與展示胞內代謝物（組）的特征，而且測量過程可以是非侵入性、非破壞性乃至維持活體狀態，故通過光譜激活的細胞分選能夠將特定光譜的細胞分離出來，進而與單細胞培養和各種破壞性的單細胞功能基因組分析直接對接。因此，單細胞光譜技術是克服上述挑戰的有效手段。

基于熒光光譜的細胞功能檢測。熒光光譜具有靈敏度高、特異性好、分析通量高等優勢，是目前應用最為廣泛的單細胞表型檢測技術之一。然而大多數細胞均沒有自熒光，通常需要設計熒光探針，對細胞進行熒光標記。常用的細胞熒光探針包括小分子熒光染料和熒光蛋白等。部分小分子熒光染料能穿透細胞膜進入細胞內部直接標記目標分子，如小分子酶熒光探針可對細胞內的酶進行檢測和成像。此外，小分子熒光探針也可通過連接抗體，特異性地標記細胞表面抗原，從而實現細胞功能檢測。熒光蛋白（如綠色熒光蛋白）是另一類重要的熒光探針，常作為報告基因與目標基因進行融合表達，以檢測目標基因在細胞中的表達情況，從而刻畫基因表達的動態過程及其功能異質性。熒光蛋白也可檢測細胞內代謝小分子。例如，一系列特異性檢測評價輔酶?NADPH?的高性能遺傳編碼熒光探針?iNap，實現了在活體動物、活細胞及各種亞細胞結構中對?NADPH?代謝的高時空分辨檢測與成像；可基因編碼的多巴胺熒光探針和新型乙酰膽堿熒光探針，能在果蠅、斑馬魚和小鼠中檢測內源多巴胺和乙酰膽堿的動態變化。目前，基于熒光探針的細胞功能檢測已被廣泛應用于基因的表達調控、蛋白質空間定位與轉運、蛋白折疊、信號傳導、蛋白酶活性分析、生物分子相互作用和細胞代謝動態過程檢測等研究領域。盡管基于熒光光譜的細胞功能檢測具備諸多優點，但是，需要預知生物標示物，需要對細胞進行標記甚至是遺傳操作，以及通常只能同時檢測少數標記分子等前提條件也從原理上限制了熒光檢測在生物元件挖掘與細胞表型檢測中的廣泛應用。對于自然界中絕大部分的微生物細胞，其生物標識物經常未知，也沒有普適性的細胞標記方法，因此熒光檢測的細胞類型適用范圍相對較窄。即使對于大腸桿菌、酵母等常見的底盤細胞，構成細胞表型組的大部分表型，如各種底物的代謝活性、代謝產物譜、環境應激性、細胞間互作等，通常也難以用一種通用的熒光標記的方法來直接測量，往往需要構建獨立的細胞熒光傳感器。而在細胞中導入基于熒光的胞內傳感器，通常需要通過轉錄因子等的設計和改造，將特定代謝物含量等信息轉換為細胞的熒光強度；這種對細胞進行?DNA?轉化乃至遺傳操作的前提，限制了適用的細胞類型與應用場景。尤其重要的是，出色的靶標分子特異性與多靶標同時檢測可能是相互排斥的，由于多色熒光之間的相互干擾，目前多個基因功能表型的同時檢測還無法廣泛應用，難以實現針對表型組的“全景式”測量。