近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所金帆团队开发了一种基于显微镜的高通量原位表征技术，该平台在一次实验中允许对96个独立菌株或实验条件进行同时筛选，显著加速了各种生物系统中基因元件的识别和表征。相关研究成果以“High-throughput, microscopy-based screening and quantification of genetic elements”为题发表于学术期刊mLife。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员张荣荣和黄亚佳为文章的共同第一作者，研究员金帆和中国科学院成都文献情报中心副研究员杨帅为共同通讯作者。
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https://doi.org/10.1002/mlf2.12096
合成生物学的发展依赖于对各种基因元件的筛选和定量表征，以组装具有特定功能的基因回路。然而，传统显微技术在高通量筛选方面存在瓶颈，包括实验中样本的准备工作较为繁琐，难以实现对大规模样本的高通量筛选，在单细胞水平上的动态分析受到限制，难以追踪基因元件在细胞内的动态变化等等。
基于以上背景，金帆团队开发了一种创新的高通量显微平台，旨在加速基因元件的筛选和表征。该平台涉及到的专用设备也是课题组独立设计研发，解决了实验中样本准备瓶颈的问题，它具有高通量、自动化和快速扫描的特点，从样品制备到数据的自动化采集可在30分钟内完成，使得样本的准备和筛选变得更加高效 （图一）。同时还可以在单细胞水平上进行了详细的分析，包括对生长速率等细胞特征的测量，为研究提供了更为全面的数据。
图一：基于显微镜的高通量表征平台的实验流程示意图。
通过该平台，研究人员对铜绿假单胞菌内3025个天然内源启动子的进行了筛选。鉴定出了一批鲁棒型启动子，这些启动子在不同的生长条件下仍能保持基因表达的稳定性。随后在单细胞水平上定量表征了细菌生长速率对启动子鲁棒性的影响（图二），为我们探索启动子鲁棒性的机制提供了更全面的定量表征数据。
图二：单细胞水平上定量细菌生长率对启动子鲁棒性的影响。
随后，研究团队进一步对这些鲁棒型启动子进行了系统的分析，通过逐步缩短启动子序列以鉴定其核心碱基序列，通过替换启动子的RBS和下游基因以确定启动子的鲁棒性只受转录调控。随后在常用的工业底盘菌株恶臭假单胞杆菌KT2440中发现启动子在不同的在不同宿主中仍然表现出高度的稳定性和功能性，验证了这些鲁棒性启动子在不同生物系统中的通用性 （图三）。
图三：启动子在KT2440底盘菌株中鲁棒性的测试。
综上所述，该研究通过搭建高通量显微平台，成功筛选并鉴定了一批在不同生长条件下都具有稳定表达量的鲁棒型启动子。该平台具有的多功能性、兼容性和自动化能力，不仅解决了传统显微技术的局限性，也为合成生物学、基因工程、生物医学等领域的研究提供了强大的工具，有望在推动这些领域的科学进展和技术创新中发挥关键作用。
这项工作得到了国家重点研发计划（2020YFA0906900）、国家自然科学基金（32000061，32101177）、深圳市战略性新兴产业扶持计划的深圳人工诊疗微生物自动化合成工程研究中心提升项目（XMHT20220104015）和深圳合成生物学创新研究院的支持。