編輯 / 中研院綜合型流式細胞儀實驗室
綜合型流式細胞學
流式細胞技術 (Flow Cytometry) 能夠精準快速分析複雜樣品內各亞群的細胞大小與顆粒性質，且能同時進行多色螢光的判定，而流式分儀選儀 (Flow Sorter) 更能進一步分選出特定細胞與微顆粒，目前已被公認為生物醫學與臨床研究等領域中至臻重要的技術，更被視為現代最偉大的科學藝術之一。除了在醫學領域上的應用，流式細胞技術目前也廣泛用於生命科學與環境科學等範疇。在生態環境中，有太多微生物是無法在實驗室中被培養的，例如共生或是生存在極端環境之下的微生物，因此必須仰賴流式細胞分選的方式將其分離純化出來，再進行後續生理生化與多體學 (Multiomics) 等研究，而這也是綜合型流式細胞儀實驗室成立的主要目的。此篇文章將聚焦在 (1) 植物生物學 (2) 微生物學 (3) 合成生物學三大領域，介紹綜合型流式細胞學的基本跨領域應用。
植物原生質體
植物因有細胞壁，因此需先利用酵素將細胞壁分解，如此才能獲得單一顆植物細胞，除去細胞壁後被細胞膜包圍的「裸露細胞」便稱為原生質體。若能在某些細胞中表達螢光蛋白，便可藉由細胞分選的方式，分離出特異性的細胞類型（例如，葉的保衛細胞），進一步衍伸轉錄物組學等相關研究。實驗室合作的對象是臺大生科林盈仲老師與中研院植微所顧銓老師實驗室，利用單一細胞分選的方式獲得目標原生質體，再結合測序與生物資訊，探討植物發育與演化，以及轉錄調控網路。研究成果已發表於 Genome Biology 期刊 ，成功揭示被子植物木質部發育及演化之謎 (Tung et al. 2023)。
海洋微藻
海洋中有一種非常獨特的單細胞藻類 Coccolithophore ，中文翻譯是鈣板金藻，顧名思義就是會形成鈣質板的微藻。鈣板金藻廣泛分布於海洋中，是地球上生產力最高的鈣化生物。球形細胞直徑約 5-100 微米，鈣質球石板直徑約 2-25 微米。研究顯示鈣板金藻的細胞壁外會產生二甲基硫（DMS）的化學物質，最後形成鹽類逸散到空氣中，變成雲層的凝結核，使雲量增加，反射陽光，以減緩溫室效應，對地球有非常重要的貢獻。我們合作的對象是中研院植微所顧銓老師實驗室，主要研究方向為利用單細胞轉錄組學探討微型真核生物的演化與生態學，先前合作的成果已發表在 New Phytologist 期刊 (Kao et al. 2022)。下圖 CytoFLEX SRT 分選的鈣板金藻樣品是直接來自海洋的樣本，先以 FSC (Forward Scatter ; 前向散射光) 依細胞大小圈出目標物，接著再利用藻類葉綠素產生的紅色自發螢光將藻類圈選出來，最後再選出具有較高的 SSC (Side Scatter ; 側向散射光) 的族群，並進行單細胞分選，以利後續實驗室培養。
海綿共生藻
接著要介紹的是與海綿共生的藍綠藻。台灣綠島過去曾發生大量珊瑚死亡事件，結果發現主要是受到如黑色覆蓋物之星野黑皮海綿 （Terpios hoshinota）入侵所引起，簡稱「黑病」。星野黑皮海綿細菌群相專㇐，主要為具光合作用的單細胞球形藍綠菌，此新種藍綠菌和星野黑皮海綿存有某種程度的共生關係 (延伸閱讀 : 珊瑚殺手──星野海綿和它隨從細菌的「幫派」結構)。我們合作的對象是中研院多樣中心湯森林老師實驗室，主要研究方向為探討微生物群落與重要化學元素循環之間的相互作用關係，先前合作的成果已發表於 Environmental Microbiology 期刊 ( Chen et al. 2022)。在分選設計上，我們直接以藻類紅色葉綠素螢光作為 trigger，接著再以藍綠藻獨特的類胡蘿蔔素 (carotenoid) 來分出最主要的目標物，進行大量純化分選，分選出的細胞後續再以質譜儀進行代謝體分析。
酵母菌工廠
合成生物學是利用生物工程的方式改造生物，以創造生產出想要的產物，廣泛應用於工業與科學研究領域。這裡我們選出酵母菌生物工廠來進行介紹。實驗室之前有協助生物多樣中心的李文雄老師實驗室進行酵母菌的分析分選，研究人員先是利用基因技術在酵母菌細胞表面表達纖維素複合體，我們再以分選方式進行快速且高效率高螢光表現細胞的富集純化與再培養，改造後的酵母菌能在其細胞表面表達“最大的纖維素分解複合物”，同時容納多達 63 種酶，未來可用於合成各種生物製藥產品（例如蝦紅素和嗎啡），此成果發表於 PNAS 期刊 (Anandharaj et al. 2020)。現階段合作的對象是國家生技園區的新創生技公司，主要研究方向為透過蛋白質結構設計與合成生物學，結合 AI 優化技術開發新藥。我們希望藉由階段式分選來獲得能表達最大抗體量的酵母展示平台，目前實驗仍在持續進行中。
小結
細胞是除了病毒之外，構成完整生命體的最小單位，對科學家而言，探究細胞的迷人之處在於其隱藏著全人類迄今仍無法完全參透的奧秘。現今無論是核酸定序、代謝體分析、與蛋白質結構分析，多圍繞在細胞內層次進行相關研究，而流式細胞分選是目前公認最能快速獲得目標細胞的技術，目前實驗室新購置的 CytoFLEX SRT cell Sorter，其優越的光學與智能化的設計，將為研究人員帶來更臻完美的分選體驗。