或为生命科学仪器研发赋能 这些国产原创研发成果值得关注

“科学研究的竞争，往往也是科学仪器的竞争。”

据统计，72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生理学或医学奖都是借助尖端科学仪器来完成的。2017年，诺贝尔化学奖被授予来自英国、美国、瑞士的三位科学家，理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”，直接开启了生物化学的革命。

诚然，虽然国家一直鼓励自主研发，但当前成果还是主要集中于中低端领域，高端仪器及技术进口依赖严重。国家科技基础资源数据显示，超50万高端仪器中，国产仪器占比仅为13.4%。

仪器技术创新与革新的重要性不言而喻，原创性的科学设备往往会开辟新的学科领域，带来崭新的研究成果。

小编关注到今年上半年以来，国内多个研发团队发表了亮眼的创新成果，这些前沿成果或将革新生命科学仪器研发，为行业带来较大影响，值得业内人士关注。今天，小编将带大家看看今年上半年科研领域亮眼的原创性成果。

（1）突破二代测序难题 汤富酬课题组开发出单细胞基因组单分子测序新方法

针对基于二代测序平台的单细胞基因组测序技术难以高效鉴定单个细胞中结构变异这一世界难题，北京未来基因诊断高精尖创新中心、北京大学生物医学前沿创新中心汤富酬课题组在国际上率先开发了基于三代测序（单分子测序）平台的单细胞基因组测序技术—SMOOTH-seq（Single-MOlecule real-time sequencing of LOng Fragments amplified THrough Transposon insertion）。使用优化后的Tn5转座反应，SMOOTH-seq能够从单个细胞中扩增出平均长度约6kb的基因组片段（测序读长比单细胞基因组二代测序技术长了20倍左右），通过引入与单分子测序平台兼容的细胞条形码使单细胞基因组DNA扩增子适用于Pacbio sequel II平台的HiFi测序模式。测序后的数据中，产生的环化测序（circular consensus sequencing, CCS）的读长平均在6kb左右, 最长可达43kb。

点评：由于二代测序平台读长的限制，对于基因组中结构变异的检测具有很大的局限性。结构变异（包括插入、缺失、重复和易位等）是人类体细胞遗传变异的主要来源之一，对肿瘤的发生、发展和转移具有潜在的驱动作用，然而目前在单个细胞水平对基因组结构变异的研究却鲜有报道。单细胞全基因组测序技术（scWGS）可以有效揭示生物样品中不同细胞之间的异质性，并系统鉴定单个细胞的基因组中发生的遗传变化，例如拷贝数变异（CNV）和点突变（单核苷酸变异，SNV）等。

（2）超灵敏生物医学检验！ 苏州医工所在DNA逻辑电路构建方面取得进展

近期苏州医工所缪鹏研究员课题组发展了一种基于DNA双足步行的电化学纳米机器，并通过级联链置换构建出一系列的DNA逻辑电路，用于研究复杂生物样本中多种生物分子的关联关系。首先在电极界面修饰茎环结构的轨道探针分子；在上游均相体系中引入目标触发的链置换聚合反应用于特定序列单链的大量合成；利用DNA三通结结构完成双足步行链的组装；在茎环结构驱动链的存在条件下使其在电极界面交替行走，完成电化学信号分子的富集探测。进一步利用不完整三通结及双链结构的设计，进行级联链置换反应构建出AND, OR门，并与NOT门联合发展出NAND, NOR, XOR, XNOR门。所构建的双输入逻辑电路表现出良好的逻辑运算、操作性能。随后，通过四通结及双链结构的设计完成了三输入AND， OR门的搭建。

点评：DNA逻辑门是将DNA等生物分子或其他外界信息作为输入(input)，通过DNA结构变化引发的各种表征结果作为输出(output)，布尔运算后可以使得各种输入之间的相互识别关联关系得以明确。此外，通过将前一个逻辑门的输出作为后一个逻辑门的输入，可以构建多个级联的逻辑门，即逻辑电路。逻辑电路的组合、信号输出方式具有多样化的特点，具有广泛的应用前景。发展的一系列逻辑电路不仅可应用于超灵敏生物医学检验，也为生物分子信息控制、通信、生物计算机等领域的研究工作提供了新的思路。

（3）单细胞拉曼光谱-重水标记技术开发出快速药敏检测方法（FRAST） 三小时检出！

近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的宋一之、复旦大学附属华山医院的王明贵和英国牛津大学的Wei Huang联合团队利用单细胞拉曼光谱-重水标记联用技术开发了一种适用于血液和尿液标本的快速药敏检测方法（FRAST），该方法将尿液和血液标本的药敏检测时间由3-4天分别缩短为3小时和21小时。

FRAST方法基于拉曼光谱——重水标记联用技术，其主要原理为，细菌可通过重水（氘代水）培养可实现氘元素的标记，使拉曼光谱中的碳-氘峰成为单细胞水平细菌代谢活动的标记物。在抗生素作用下，易感菌代谢活性会受到抑制，而耐药菌则不受影响并产生明显的碳-氘峰，因此可以克服临床微生物试验对长时间培养的要求，使快速药敏成为可能。 FRAST方法的具体流程如图所示。

FRAST用于临床尿液样本和血液样本的药敏试验流程图

点评：世卫组织专家估计，到2050年，由于抗生素耐药导致的死亡人数可能从目前估计的每年70万人增加到每年1000万人，世界生产总值的损失将达到100万亿美元。导致耐药菌出现和蔓延的一个主要原因是在治疗感染类疾病时存在滥用和过度使用抗生素的情况。目前病原菌感染在临床的检验流程往往需要3-7天才能从病人标本中分析出病原菌鉴定和抗生素药敏的结果。快速检测感染细菌的药敏特性对确保有效抗生素的使用和减少对广谱药物的需求起着关键作用。

（4）播放音乐即可驱动！ 厦大彭兴跃团队开发出低成本新型微流控泵技术

厦门大学彭兴跃教授课题组在2021年第6期《先进材料与技术》杂志(Adv. Mater. Technol.  )发表了两篇论文，介绍实验室开发的一种高性能、低成本及低功耗的磁控微泵技术，并运用这一技术设计出了可用手机歌曲播放列表编程控制的微流控培养皿。

点评：微流控芯片是一种控制微米尺度液体流的芯片，是生命科学、医疗、化学，计算机等各领域所期待的关键技术。由于制造难度、使用难度、成本及性能等许多问题都未得到解决，微流控芯片一直无法广泛应用到生活与研究之中。彭兴跃教授课题组证明了微小振荡器具有稳定的流场，并基于该理论开发了一款结构简、成本低、能耗低、寿命长、运行可靠、适应性强的微流控泵。为该微泵配套研发了音乐编程操作系统，使用者仅需要一个MP3播放器，通过播放内含程序代码的MP3或WAV格式的歌曲即可驱动微流。该微流控泵在成本、功耗、便利性、使用寿命、生物相容性、尺寸、可靠性、简单性等方面具有显著优势，有望能够用在生命科学、医疗、化学、计算机等领域，如干细胞研究、癌症研究、野外及太空的即时检验（point-of-care testing等）。

（5）非接触式超声移液 深圳先进院实现皮升级高精度液体控制

超声移液技术是通过声操控技术将液滴从液面喷出，实现移液操作，是一种非接触式的移液方式。具体来讲是利用声波探头把电能转化为声波，并根据声波的反射来获得样品性质和液面高度的信息。声波探头根据所获得的声场信息，自动调整探头的位置和激发的阵列来精准地聚焦作用到液面，激发出液滴。液滴飞向上方的容器，并通过表面张力粘附于容器表面，或直接融入到反应体系中（如图a所示）。

深圳先进院声操控小组近期通过研制高频高带宽聚焦超声探头、声辐射力精细可调声操控技术以及移液控制平台，实现了从皮升级到亚纳升级大动态范围可调的移液精度（如图b和c所示），使得移液操作效率更高，更加灵活、精细。该研究工作已发表于期刊IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control。

（a）超声移液平台及移液过程示意图，（b）超声波操控液滴从液面喷出过程，（c）激发的不同精度移液液

点评：对于快速发展的合成生物和药物化学等科学研究，为了高效快速并行处理大量实验样本与产生变参数的实验数据，增大实验反应通量、减小反应体系体积逐步成为重要的实验需求，但这种做法对移液设备的稳定性与精度提出了越来越高的要求。传统利用移液枪头的移液器是接触式的，存在样品交叉污染、移液精度低（通常微升级）、耗时长等缺点无法满足需求。非接触式的超声移液由于无需一次性吸头或喷嘴等第三方媒介辅助，具有无液体粘附及残留，无交叉污染，以及可以降低耗材费用，保证移液精准等优势，具有重要的应用前景和商业价值。

（6）高速三维动态成像 苏州医工所在结构光照明超分辨显微成像仪器研制方面取得进展

近期，苏州医工所李辉课题组围绕着结构光照明超分辨显微成像方法、高保真SIM重构算法、以及国产化的SIM显微镜研制等方面取得了一系列重要进展。

为了实现对厚样品的快速三维成像，李辉课题组发展了基于数字微镜阵列器件(DMD)和液体变焦透镜（ETL）的结构光照明层切显微技术，并开发了基于两张原始图像的层切成像算法。该方法将传统的三维层切成像的速度提高了数倍以上，课题组利用该技术对斑马鱼和大脑血管的心血管系统进行了高速动态成像，清晰地显示了心脏跳动期的收缩-舒张过程以及腹部血管的蠕动特性。

基于两张正反图像的结构光照明层切算法（左）；

斑马鱼心脏跳动过程的快速三维成像（右）。

点评：对于生物医学研究，著名物理学家理查德·费曼有句名言：“...很多基础生物学的问题是很容易被回答的；你只是需要看到它们就够了”。这句话一定程度上说明了直接观察的光学显微镜对于细胞生物学、发育生物学、免疫学、病理药理学等生物医学研究的重要性。但是受衍射极限的限制，传统光学显微镜的分辨率理论上只能达到光波长的一半。

近20年来，超分辨荧光显微成像技术的出现有效打破了光学衍射极限的束缚。基于单分子定位技术的超分辨显微镜（SMLM）和受激发射损耗显微镜（STED）以及结构光照明超分辨显微镜（SIM）等技术在众多课题组的努力下都得到了长足发展，尤其是结构光照明显微镜由于成像速度快、光毒性小、无需特殊荧光标记等优势，已成为生命科学领域尤其是活细胞成像中最受欢迎的技术手段。三维成像方法因可以获取到更多的生物样品信息而备受关注。但是现有的三维成像不可避免的带来离焦模糊和时间分辨率差的问题，很难用于对样品的快速三维动态成像。

（7）中科院能源所利用单细胞拉曼分选-测序耦合系统 首次精确到一个细菌细胞的环境菌群scRACS-Seq

单细胞拉曼分选耦合测序（RACS-Seq）是剖析环境菌群功能机制的重要手段，但拉曼分选后单个细菌细胞基因组的覆盖度通常低于10%，极大限制了其应用。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心基于星赛生物的RACS-Seq®单细胞拉曼分选-测序耦合系统，以及相应的RAGE芯片和单细胞分析试剂盒（包括环境样品中微生物单细胞提取与制备、稳定同位素饲喂细胞、单细胞核酸裂解与扩增等环节），首次实现了精确到一个细菌细胞、全基因组覆盖度达93%的环境菌群scRACS-Seq，为环境微生物组原位代谢功能研究提供了一个强有力的新工具。

从国际科学发展趋势来看，科学仪器对基础研究的发展起到越来越重要的推动作用，而原创性科研成果对自主研发科学仪器的依赖度更高。从量变到质变需要一个漫长的过程，对于正在快速发展中的生命科学仪器行业亦是如此。希望借助多方的力量，期待国内生命科学仪器领域能在5-8年出现质的飞跃。