摘要：基因组测序、编辑与合成技术日新月异,推动了基因型“设计”和“合成”能力的突飞猛进,同时也使人工细胞的表型检测成为合成生物学发展的瓶颈之一。对于细胞功能的快速测试与评价,单细胞分析技术具有重要意义与前景,但理想的解决方案需要具备活体无损、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特征。拉曼光谱技术具备上述所有特征,能够提供单细胞的化学成分组成及分子结构等信息,是一种高效的单细胞表型识别技术。本文首先概述了拉曼组概念和基于拉曼组的细胞功能表型识别,包括代谢产物定性和定量、底物代谢和互作表征、细胞种类和状态鉴定以及环境应激检测等;其次,根据拉曼信号的分类、拉曼信号检测模式和目标细胞分选策略,对现有的拉曼分选平台及其在细胞表型分选中的应用进行分析总结;最后,对单细胞拉曼光谱技术在合成细胞表型检测与分选面临的问题、潜在解决策略进行了探讨和展望。单细胞拉曼光谱技术不仅为细胞工厂的高通量、全景式表型检测与筛选提供了全新的解决方案,还将推动“单细胞精度的表型组-功能基因组”作为一种新的生物大数据类型,服务于“数据科学”驱动下的合成生物技术。

摘要：合成生物学的跨越式发展,取决于“设计-构建-测试-学习”(design-build-test-learn)这四大环节的突破。随着基因组测序、编辑、合成以及人工智能技术的日新月异,业界设计和构建突变体甚至人工细胞工厂的能力已经突飞猛进。然而,合成生物学至今仍面临的困境之一便是“大体系的复杂性难以处理”,一旦体系变大,细胞表型测试与分选的工作量就非常艰巨,甚至不可完成。单细胞拉曼光谱(SCRS)技术能够在活体单细胞水平、非标记状态下识别全景信息从而分辨复杂功能表型,且具有快速、低成本、能够与下游细胞组学研究耦联等优势,被视为全新的单细胞表型识别技术。目前,基于SCRS技术强大的表型识别能力已发展了系列合成表型的测试与分选装备,并进行了广泛的应用示范,展示了其助力合成生物学表型测试与分选的巨大潜力。本文选取自主研制的单细胞拉曼光镊分选仪(RACS-Seq)、单细胞微液滴分选系统(EasySort)和高通量流式拉曼分选仪(FlowRACS)为典型仪器装备,分别概述其技术原理和技术迭代以及特色应用案例等。本文最后对当前基于SCRS技术的合成表型测试分选装备所存在的问题及潜在解决策略进行了探讨和展望。

摘要：近年来,基因组测序、编辑与合成技术日新月异,推动了基因型"设计"和"合成"能力的突飞猛进,同时也使人工细胞的表型检测成为合成生物学发展的瓶颈环节之一。对于细胞功能的快速测试与评价,单细胞分析技术具有重要意义与前景,但理想的解决方案需要具备活体无损、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特征。以此为出发点,文章重点介绍了基于非标记式分子光谱学的单细胞功能表征、分选与组学技术体系的进展,并讨论了该领域的关键问题与发展方向。多种光谱技术之间扬长避短的运用与多模态成像,结合高通量的光谱激活细胞分选技术及下游单细胞组学技术,正构建与拓展着一条连接光谱学与遗传学的广阔桥梁。这一桥梁不仅为细胞工厂的高通量、全景式表型检测与筛选提供全新的解决方案,还将推动"单细胞精度的光谱表型组-功能基因组"作为一种新的生物大数据类型,服务于"数据科学"驱动下的合成生物技术。

摘要：海洋微藻研究对海洋环境监测以及生物资源利用有着重要意义,显微共焦拉曼光谱作为一种非标记、快速检测技术已在生命领域获得广泛应用。现阶段,商业化显微共焦拉曼仪器在微生物研究领域占据主导,但由于体积庞大、工作环境要求严格等因素,很难开展微藻细胞的现场检测与分析。因此,将微型光纤光谱仪引入微藻"单细胞"的检测,自主研发了一套小型显微共焦拉曼系统,尝试低成本开发微生物分析设备。整个系统基于微型光纤光谱仪实现了硬件的一体化小型设计(L750 mm×W350 mm×H410 mm),具备光谱探测、显微成像、光镊捕获功能。通过四种典型微藻(中肋骨条藻、微拟球藻、东海原甲藻及小藻)的检测验证,成功识别了"单个活体细胞"内的蛋白质、脂类、糖原、核酸等多种细胞组分,相应的结果经过主成分分析(Principal component analysis,PCA)后,很好地实现了四种微藻的种类归属,证明了光纤光谱仪应用于单细胞量级海洋微生物分析的可行性,并有望在将来发展成为船基设备,用于微藻的甲板在线检测。

摘要：合成生物学通过构建人工代谢途径,不仅可以发展高效的生物制造技术,还可以用于人类重要疾病的诊疗,为催生新的生物产业革命、促进经济可持续发展提供了重大机遇。该文围绕代谢组与代谢流量分析以及代谢建模、单细胞代谢表型组分析与分选、代谢物生物传感与时空调控等前沿技术,介绍现有状况和水平,综述分析这些技术如何助推合成生物学设计-构建-测试-学习(DBTL)循环,并对其发展前景进行展望。