在加州理工学院，化学家蔡龙（Long Cai）正在开发一种新技术，以扩展在单细胞中可同时追踪的分子数量。
蔡龙的任务是开发出一些工具来观测前所未见的事物。去年，这位崭露头角的加州理工学院（Caltech）的物理化学家获得了美国国家卫生研究院（NIH）的“创新奖”，他正采用一种称作超分辨率条形码（super-resolution barcoding）的技术，将基因组学和蛋白质组学应用到单细胞中，从而充分利用其潜力。“这一项目的总体目标是将单细胞转变为微阵列，”蔡龙说。
朝着这一目标取得重大的进展，蔡龙以及研究生Eric Lubeck近期在《自然方法》（Nature Methods）杂志上报告了一些原理验证试验，他们在暴露于细胞外钙压力的单个酵母细胞中检测了32个压力反应基因的mRNA水平。二人利用单分子荧光原位杂交（smFISH）技术，将单个mRNAs与包含独特荧光团组合的寡核苷酸探针进行了杂交，随后利用超分辨率显微镜计数了这些荧光条形码mRNAs。
蔡龙通过超分辨率条形码技术，正将基因组学和蛋白质组学带入到单细胞中。
十年前，艾伯特爱因斯坦医学院的细胞生物学家Robert Singer开发了一种基于FISH的条形码方法，可同时检测单细胞中的多种mRNAs。
利用这种条形码策略，蔡龙和Lubeck提高了研究人员能够在单个细胞中同时鉴别和定量的分子的数量。此外，这种方法还涉及对样品进行直接成像，因此它保留了细胞内分子以及组织中细胞接触的空间信息，使得科学家们能够检测组织中细胞间信号相互作用的复杂模式。
利用传统的荧光显微镜很难解析单个分子，因此转录水平必须很低才可供条形码使用。相比之下，超分辨率显微镜将一个典型的酵母细胞转变为108个像素，使得解析小至10–20 nm的细胞结构成为可能。因此，通过采用不同的荧光分子条形码标记每个信息，解析单细胞中所有的基因组信息成为了可能。超分辨率显微镜采用稀疏激活重叠荧光基团亚群，这是当来自多重转录物的信息重叠时高密度条形码的必要条件。这一过程与圣诞树上的彩灯相似，其轮流闪烁和关闭，使得研究人员能够分离出单个光点。
“进入此的主要动机之一是我们认识到，对于许多你想在单细胞中完成的事情，你还必须知道首先你正在寻找什么，以将绿色荧光蛋白（GFPs）标记到它们之上。如果你想超越并同时看到多种基因，利用GFP确实很难，因为没有那么多颜色的GFP可获得，”蔡龙说。
单细胞研究领域的先锋蔡龙，对于蔡龙而言，向着超分辨率条形码的道路是从他过去的研究经历中自然产生的。甚至在开始上大学前，他对显微镜就已相当感兴趣。在他大学第四年的暑假期间，蔡龙在纽约州立大学石溪分校的一个研究实验室中研究了衍射光学。作为哈佛大学的大学生完成化学和物理学学习后，他留在了这所大学，成为了单分子酶学研究人员谢晓亮（Sunney Xie）实验室的学生攻读博士学位。利用单分子光谱学，他们研究了单个细菌细胞中基因表达改变的基础分子机制，引人瞩目的研究论文发表在《科学》（Science）和《自然》（Nature）杂志上。
2006年获得博士学位后，蔡龙来到了加州理工学院，成为了系统和合成生物学专家Michael Elowitz实验室Beckman研究所的成员。他们一起利用时差显微技术（time-lapse microscopy）在单个酵母细胞中研究了信号。2008年，他们在《自然》上报告了他们的研究发现：一种称作Crz1的转录因子在短脉冲中定位到细胞核，脉冲的频率受到细胞外钙浓度的控制。这一细胞现象可以使转录因子协调多个基因的表达以对外部信号做出响应。
蔡龙说：“两年前，当我在加州理工学院启动我的实验室时，我开始思考如何利用这些单分子技术在单细胞中开展更高通量的系统生物学研究，这代表了两种不同方法的密切结合：基因组学，可用于同时分析系统中所有的基因和蛋白质，但生成的是所有细胞的一个平均值；单细胞生物学可在天然的环境中高精度地追踪单个细胞中的基因表达，但仅限于一次研究少数的基因。”
“你可以看到他取得的自然进展，从他还是谢晓亮实验室的学生时，他就在细菌中检测单分子基因的表达，当他与Michael Elowitz一起完成博士后研究是在酵母中，”芝加哥大学系统生物学家Michael Rust说。在庄小威实验室做研究生时，Rust帮助开发了蔡龙使用的超分辨率成像技术——随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）。两人均还是哈佛大学的研究生时，Rust就认识了蔡龙。“他是一个很有创造力的科学家，过去在多个实验室而现在在他自己的实验室，他完成了一系列非常令人印象深刻的工作。”
达到全部潜力
最终，蔡龙的方法可以让科学家们探索更广泛的问题，不仅是关于单个细胞中转录模式的基础，还有跨越细胞基因表达复杂模式的变化，以及在发育和诸如癌症、细菌感染甚至孤独症等疾病状态中，这样的异质性与细胞命运决定相关的机制。在未来的研究中，蔡龙将利用他的方法来比较酵母细胞跨代的基因表达，以尝试了解更多与衰老过程相关的遗传回路。他的实验室正在致力于将该技术的处理量扩展至超过100个基因，并将其应用到多细胞生物体中研究发育过程。
新泽西医学与牙科大学细胞生物学家Sanjay Tyagi（曾开发了探针在细胞中成像RNA单分子）说：“我认为他的方法是非常令人兴奋的。随着这些单分子方法获得应用，我们发现每个细胞与平均值都大不相同，有一些新的生物学隐藏在单个细胞中，我们完全忽视了它。基因表达异质性这一整体领域已经出现，因为进行单分子成像已成为可能。”
最终，这一过程有可能具有重要的临床意义。“如果你能在单细胞水平上完成它，甚至是在一个组织中，那么你将可能获得一种强有力的方法来进行疾病监控和诊断。因此，我认为这一技术具有很大的潜力，但在这变为可行之前还必须开发大量的技术，”艾伯特爱因斯坦医学院细胞生物学家Robert Singer说。
（生物通：何嫱）