華大研「生命照相機」 為胚胎拍「寫真」
首繪四種生物胚胎時空圖譜 超高精度解析細胞變化
香港文匯報訊（記者 郭若溪 深圳報道）近日，由中國科學家主導，6個國家、32個科研團隊共同參與完成了全球首批生命時空圖譜。科學家們利用生命科學前沿機構華大集團自主研發的堪稱「超廣角百億像素生命照相機」的時空組學技術Stereo-seq，首次繪製了小鼠、斑馬魚、果蠅、擬南芥四種模式生物胚胎發育或器官的時空圖譜，這是首次從時間和空間維度上對生命發育過程中的基因和細胞變化過程進行超高精度解析，即實現了為胚胎拍「寫真」，為認知器官結構、生命發育、人類疾病和物種演化提供全新方向。
科學的發展離不開工具的進步。此次研究所使用的時空組學技術Stereo-seq，堪稱「超廣角百億像素生命照相機」，其具有亞細胞分辨率與厘米級視場，能同時「拍到」組織裏每個細胞的基因信息和空間位置，助力研究人員認識生命的發展過程。
昔繪圖需實驗萬次 今只需定位一次
據《細胞》論文第一作者、深圳華大生命科學研究院時空組學首席科學家陳奧介紹，時空組學技術Stereo-seq的研發耗時近3年，最初的動力源自於測序技術實現了高通量、低成本和全面國產化。「我們發現華大自主研發的DNBSEQ測序技術，其高通量芯片還能轉換成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，即『時空芯片』，進行單細胞或時空技術的研發。」
該芯片可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，實現亞細胞定位。陳奧表示，通過Stereo-seq技術，人類首次以500納米的空間分辨率，實現了生命全景時空圖譜的繪製，解決了目前相關技術分辨率低不能實現單細胞分辨率、視場小不能進行較大組織的研究等問題。「在過去，要做幾千甚至上萬次的實驗才能繪製的圖譜，現在在『時空芯片』上，只需一次定位就能實現。這是生命科學工具的里程碑式突破。」
胚胎小鼠「寫真集」 推動出生缺陷研究
以實驗室明星小鼠為例，研究團隊利用「生命照相機」，從小鼠胚胎發育的第9.5天開始，每天「拍」幾張「照片」，直到16.5天，得到8個時期的53張「照片」形成了一個胚胎發育的「寫真集」，記錄了小鼠胚胎內器官發育和形成的細胞演變過程。這也是首次在單細胞分辨率水平上解析空間基因表達譜，為哺乳動物發育研究提供重要的數據參考，幫助認識胚胎的成長和器官發生，也為出生缺陷相關研究提供指導。
舉例來說，Robinow綜合征是一種典型的出生缺陷，臨床表現為唇顎裂等面部和肢體發育異常，臨床上已經發現與之相關的基因，但此基因如何導致這些異常卻不得而知。研究人員在小鼠胚胎發育的過程中，對相關基因進行了定位，結果發現，在小鼠的嘴唇、上顎和腳趾均存在該基因的特異性高表達，說明這個基因在小鼠的唇顎和腳趾發育的過程中非常重要，這很好地解釋了為什麼臨床上觀察到的很多Robinow綜合征患者出現唇顎裂、肢體短小等表現。
助攻克植物難題 盼培育優質農作物
此外，研究人員還成功開發出適用於植物的單細胞空間組技術，並將此技術應用於植物葉片細胞的空間組學研究，攻克了長期以來研究人員無法對植物葉片中高度相似細胞類型的分子特徵進行有效解析的難題。該技術將會應用於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。
深圳華大生命科學研究院生物信息首席科學家黎宇翔是首批生命時空圖譜系列論文的共同通訊作者之一。他表示，時空組學技術所需要的數據體量相比過去的組學技術有數量級的提升，這是一項前所未有的挑戰。為此，華大開發了一系列適應其數據分析的新算法及相關的可視化數據庫，希望能助力解決未來該領域在計算存儲、算法算力上可能面臨的一系列挑戰。
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個科研團隊共同參與完成。研究已通過倫理審查，嚴格遵循相應法規和倫理準則。相關研究成果包括1篇《細胞》文章，3篇《發育細胞》文章以及4篇預印文章。
