全新生命科學工具 繪制全球首批生命時空圖譜

“這是生命科學工具的里程碑式突破！”深圳華大生命科學研究院時空組學首席科學家陳奧興奮地說。

5月4日晚，深圳華大生命科學研究院（以下簡稱華大研究院）聯合多家機構在細胞出版社官網以時空組學聯盟（STOC）專題的形式發布了全球首批生命時空圖譜。研究人員首次繪制了小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥4種模式生物胚胎發育或器官的時空圖譜。

其中，介紹小鼠胚胎發育時空圖譜的論文刊登于《細胞》雜志，另外3篇分別展示果蠅、斑馬魚和擬南芥時空圖譜的論文發表于《細胞》子刊《發育細胞》。系列論文不僅展現出動植物器官形成過程中細胞的動態演化，還將加深我們對生命演化的認識，有望為遺傳疾病開發全新療法。

時空圖譜的意義在于，研究人員可以利用其識別組織內特定細胞的特征，幫助理解疾病的形成、篩查。

例如，Robinow綜合征是一種典型的出生缺陷，患兒會出現唇腭裂、肢體短小等癥狀。此前的研究已經發現了與這種疾病相關的基因，但這個基因如何導致癥狀卻是未知數。利用時空圖譜，科研人員可以在胚胎發育過程中對該基因進行定位，有助于揭示其發病機制。

但問題是，傳統辦法需要幾千甚至上萬次實驗，才能夠獲取時空圖譜。“而利用Stereo-SEQ技術，只需一次定位就能實現。”作為小鼠胚胎發育時空圖譜論文第一作者，陳奧告訴科技日報記者。

Stereo-SEQ是一項全新的時空組學技術，能同時“拍到”組織里每個細胞的基因信息和空間位置。如果把擁有37萬億個細胞的人體比作地球，那么該技術可以讓我們看到每個生物的全部信息，包括它的過去和未來。

為Stereo-SEQ技術提供核心支撐的，是基于華大自主研發的DNBSEQ測序技術研制、具有空間位置信息的、陣列式排布的DNA納米球空間捕獲芯片。該芯片可以實現超高精度和超大視野的生命分子成像，其分辨率可達500納米。

“時空組學技術的出現，讓我們可以在細胞甚至亞細胞分辨率下，觀察到正常狀態和疾病狀態下分子和細胞的分布及細胞之間的互作情況，必將大大推動我們對于生命復雜性和人類疾病的全面認知。”系列論文的共同通訊作者之一、深圳華大生命科學研究院單細胞組學首席科學家劉龍奇表示。

在系列論文中，中外科學家對小鼠、斑馬魚、果蠅等模式生物的發育過程進行了研究，為胚胎發育過程中的模式形成及相關分子機理研究提供了重要的數據參考，也為進化過程中胚胎演化的研究提供了可能。

在植物方面，研究人員還基于Stereo-SEQ技術成功開發出適用于植物的單細胞空間組技術，并將此技術應用于植物葉片細胞的空間組學研究。該技術將會應用于植物基礎科學研究和作物育種研究中，如在水稻、小麥和玉米等作物的種子發育和抗旱、耐高溫和耐鹽等機制解析中進行優勢關鍵基因的挖掘，為高產、優質、抗逆作物品系的培育貢獻力量。

據了解，系列研究由深圳華大生命科學研究院聯合中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院、南方科技大學、華中農業大學等來自6個國家的32個科研團隊共同完成。研究已通過倫理審查，嚴格遵循相應法規和倫理準則。