本研究由香港科技大学生命科学部的张文杰（wenjie zhang）与蔡燕清（yanqing cai）作为共同第一作者完成，通讯作者为廖毅（yi liao），同时吴若昊（angela ruohao wu）等参与了研究。该论文发表于 Chemical & Biomedical Imaging 期刊，2026年第4卷第1405至1415页。

这项研究属于单细胞细菌学与高通量筛选技术领域，主要针对细菌菌株在单细胞和亚细胞水平上的动态表型与基因型关联分析这一核心难题展开。在生物学中，诸如细胞周期振荡、转录爆发以及相分离凝聚体的动态组装与解体等时序动态过程，构成了重要的调控层面。然而，现有的技术手段——包括DNA测序、酶标仪读数和荧光显微镜——在时间分辨率、单细胞及亚细胞空间信息以及实验通量之间，存在根本性的权衡与折中。这种折中不仅割裂了人们对基础细胞过程的理解，也阻碍了针对动态表型的大规模筛选。已有的一些方法，如结合微流控芯片中的活细胞时间序列成像与顺序荧光原位杂交（seqFISH）的策略，虽然在理论上能够将单细胞的动态表型与其对应的基因型连接起来，但其推广受到两个关键瓶颈的制约：其一，在微流控生长通道的狭小空间内，荧光探针的非特异性聚集严重损害了原位基因分型的效率；其二，为了保证基因分型的灵敏度，现有方法严重依赖高拷贝数质粒来表达条形码，而高拷贝质粒往往扭曲细胞的正常生理状态和动态表型。

针对上述问题，本研究提出了一个整合的、生理学兼容的解决方案。首先，作者开发了一种简单的表面修饰策略，通过在PDMS预聚物中掺杂微量的PDMS-聚乙二醇（PEG）嵌段共聚物（简称BCP）来抑制荧光探针在微流控芯片中的非特异性聚集。这种修饰方法无需额外的芯片制备步骤，且与光学显微镜兼容，并已被报道能够在超过两个月的时间内维持稳定的表面亲水性。实验结果表明，经过BCP处理的芯片在三种常用荧光染料（Alexa Fluor 488、Atto 550和Alexa Fluor 647）上均表现出显著降低的探针残留，信背比（signal-to-background ratio，S/B）得到显著提升。在此基础上，每一轮包含探针杂交、洗涤和淬灭的seqFISH循环可以在约70分钟内完成，从而使一个完整的12位条形码基因分型程序能够在过夜（24小时以内）完成。

其次，作者引入了带有条形码的可调拷贝数质粒（copy-number-tunable plasmid）来解决活细胞成像与事后基因分型之间对质粒拷贝数的矛盾需求。研究采用了pTrig质粒系统，该质粒含有两个复制起点——mini-F起点用于质粒的稳定维持，以及源自P1噬菌体的oriL起点用于质粒拷贝数的扩增。在IPTG诱导下，复制蛋白RepL表达并激活oriL，使质粒拷贝数从每个细胞约1至3个拷贝扩增到数百个拷贝。实验显示，在IPTG诱导后约6小时内，超过80%的细胞中的质粒拷贝数扩增可以可靠完成。这种方法将表型测量与条形码信号扩增在时间上解耦，使得在活细胞成像阶段可以维持低质粒拷贝数，从而最小化生理扰动，而在基因分型阶段则通过质粒扩增获得足够的条形码mRNA信号。

研究团队利用大肠杆菌MinCDE系统作为案例，验证了这套完整工作流程在亚细胞动态筛选中的适用性。他们构建了包含四种大肠杆菌菌株的混合文库，分别表达野生型MinE或其点突变体（MinE(L8Y)、MinE(F6C)和MinE(N13Q)），并以mKate2标记的MinC作为动态输出的报告蛋白。活细胞成像显示了从典型的极间振荡到几乎不动的斑点等多种不同的时空动态模式。经过事后质粒扩增和原位基因分型，每个生长通道的菌株身份被成功解析，从而建立了mKate2-MinC动力学与MinE变体之间的一一对应关系。野生型MinE表现出稳健的极间振荡，约每30秒穿越细胞长度一次；MinE(L8Y)突变体保留振荡行为但速度降低；而MinE(F6C)和MinE(N13Q)突变体则严重损害了mKate2-MinC的移动性。此外，研究还发现，使用中高拷贝数质粒表达Min蛋白会完全消除野生型细胞中的特征性极间振荡，这进一步强调了在表型阶段维持低质粒拷贝数的必要性。

本研究的主要结论是，通过表面修饰策略和可调拷贝数质粒系统的结合，成功建立了一个快速且低扰动的工作流程，将基于图像的细菌筛选转变为更高效、更具可扩展性的高通量单细胞与亚细胞动态筛选平台。该工作流程能够兼容对质粒拷贝数敏感的动态表型筛选，同时保持基因分型的灵敏度。研究的科学价值在于，它为在微流控系统中将单细胞动态表型与基因型连接起来提供了一条通用化的技术路线，有望在系统生物学和合成生物学中得到更广泛的应用。从应用价值来看，这种方法可以用于系统性地映射MinD和MinE中的功能热点，为理解时空模式形成的鲁棒性与可调性提供实验基础；同时也可应用于基因表达噪声的精确定量、细胞周期进程研究以及相分离等领域。

该研究的亮点主要体现在三个方面：第一，技术创新方面，BCP表面修饰方法简单易行且效果显著，大幅缩短了基因分型时间，解决了微流控芯片中探针聚集这一长期存在的难题；第二，实验策略方面，采用可调拷贝数质粒在表型阶段与基因分型阶段之间切换质粒拷贝数，巧妙地解耦了两个阶段对质粒拷贝数的矛盾需求，这在同类研究中具有新颖性；第三，应用展示方面，通过MinCDE系统的亚细胞动态筛选，证明了该平台在保持低质粒拷贝数的同时，依然能够完成可靠的基因分型，为未来更大规模的突变体文库筛选奠定了基础。此外，作者还指出，虽然本研究采用的主要策略并非唯一可行的方案，例如聚乙烯醇沉积或基于滚环扩增的染色体条形码扩增等替代方法也可能有效，但本研究的策略提供了简单、模块化且无需酶促反应的信号扩增手段，能够无缝整合到活细胞成像工作流程中，对多数动态筛选应用而言具有显著优势。