如果将人体看作一个小星球，联合要给上面的机构37万亿个细胞拍一张全景照，需要多大像素的发布“相机”？

5月5日，一场关于“超广角百亿像素生命照相机”的项成发布会在深圳国家基因库举行。就在前一天晚上，联合深圳华大生命科学研究院（下称“华大研究院”）联合多家机构，机构在国际顶级期刊《细胞》（Cell）出版社官网，发布以专题文章的项成形式发布了全球首批生命时空图谱。这是联合首次从时间和空间维度上，对生命发育过程中的机构基因和细胞变化过程进行超高精度解析，为认知器官结构、发布生命发育、项成人类疾病和物种演化提供全新方向。联合

△Cell出版社官网专题页面截图

发布会上，机构时空组学联盟（STOC）正式启动。发布

△发布会现场

看到细胞的过去和未来

人体拥有37万亿细胞，是银河系中恒星数量的100倍。然而，过去我们对于这些细胞如何组成一个复杂的生命体却了解甚微。

17世纪，人们第一次通过显微镜看到了细胞。20世纪，测序技术让我们第一次解析了DNA。如今，时空组学技术不仅可以让我们精确地了解每个细胞内的分子表达，还可以定位该细胞的空间位置。“如果将人体比作地球，之前的技术或许能了解上面有哪些生物，而时空组学技术则可以让我们看到每个生物分布在哪个国家、地区和城市，还能看到它们在做什么，怎么和其他物种交流，甚至，看到他们的过去和未来，可谓‘超广角百亿像素生命照相机’。”系列文章通讯作者、华大研究院院长徐迅表示。

此次利用这一技术，团队首次绘制了小鼠、斑马鱼、果蝇、拟南芥四种模式生物的胚胎发育或器官的时空图谱。“这四种生物繁殖周期快、遗传操作相对容易。”系列文章通讯作者刘龙奇告诉记者。

△小鼠时空图谱发表于《细胞》

△斑马鱼、果蝇、拟南芥时空图谱发表于《发育细胞》

记者了解到，时空组学技术之所以“像素高”，离不开一大“利器”——DNA纳米球空间捕获芯片。这一基于华大自主研发的DNBSEQ测序技术而研制的芯片，具有空间位置信息和阵列式排布，可以实现超高精度和超大视野的生命分子成像，其分辨率可达500纳米，即单个细胞可被400个像素点捕获，实现亚细胞定位。同时，该技术还可以达到最大13厘米x 13厘米的超大视野，实现器官和生命全景分子细胞图谱的绘制。

△时空组学技术所使用的时空芯片

“通过时空组学技术，人类首次以500纳米的空间分辨率实现了生命全景时空图谱的绘制。在过去，要做几千甚至上万次的实验才能完成的时空图谱，现在，在华大自主研发的时空芯片上，只需一次定位就能实现。这是生命科学工具的里程碑式突破。”《细胞》论文第一作者陈奥表示。

在具体研究中，团队利用这台“生命照相机”，在小鼠胚胎器官形成的第9.5-16.5天，每天“拍摄”多张“照片”，得到8个时期的53张“照片”形成了一个胚胎发育的时空图谱，就像一张生命全景地图，记录了小鼠胚胎内器官发育和形成的细胞演变过程，构建出了世界上首个系统清晰的小鼠器官跨时期空间基因表达图谱集。这也是首次在单细胞分辨率水平上解析空间基因表达谱，为哺乳动物发育研究提供重要的数据参考，为出生缺陷相关研究提供了指导。

认识和观察生命

谈到时空组学技术的应用，徐讯表示，通过它可以观察受精卵、作物种子甚至癌细胞等的生长过程，从而更好地认识和观察生命，为人类健康作出贡献。

△小鼠胚胎第9.5-16.5天的时空图谱

比如唇腭裂是一种典型的出生缺陷，临床上已经发现与之相关的基因，但此基因如何导致这些异常却不得而知。此次团队在小鼠胚胎发育的过程中，对相关基因进行了定位，结果发现，在小鼠的嘴唇、上颚和脚趾均存在该基因的特异性高表达，说明这个基因在小鼠的唇腭和脚趾发育的过程中非常重要，也很好地解释了为什么临床上会出现唇腭裂等表现。

“得益于时空组学技术的超大视野，科研人员可以在发育中的小鼠胚胎上以非常高的分辨率和测序深度进行组织的分析和研究，”《细胞》论文共同作者、英国剑桥大学临床医学院院长Patrick Maxwell教授表示，“利用本研究免费公开的数据，大家可以真正地理解哺乳动物是如何发育的，组织是如何组成的等问题。这也将使我们深入了解发育的过程、正常的组织功能，以及疾病。”

“时空组学技术所需要的数据体量相比过去的组学技术有数量级的提升，这是一项前所未有的挑战。为此，我们开发了一系列适应其数据分析的新算法及相关的可视化数据库，希望能助力解决未来该领域在计算存储、算法算力上可能面临的一系列挑战。”系列论文的共同通讯作者黎宇翔提到。

此外，研究人员还成功开发出适用于植物的单细胞空间组技术，并将此技术应用于植物叶片细胞的空间组学研究。该技术将会应用于植物基础科学研究和作物育种研究中，如在水稻、小麦和玉米等作物的种子发育和抗旱、耐高温和耐盐等机制解析中进行优势关键基因的挖掘，为高产、优质、抗逆作物品系的培育贡献力量。

成立时空组学联盟

为推动时空组学在生命科学各个领域的广泛应用，华大研究院等机构发起了时空组学联盟，由来自哈佛大学、剑桥大学、牛津大学等16个国家的80多位科学家组成。本次专题成果是由华大研究院联合时空组学联盟单位主导的、时空组学联盟产出的第一批重磅成果，包括1篇《细胞》文章，3篇《发育细胞》及4篇预印文章。

“时空组学技术的出现，实现了生命在时间和空间维度上细胞‘地图’的全面绘制，让我们可以在细胞甚至亚细胞分辨率下，观察到正常状态和疾病状态下分子和细胞的分布及细胞之间的互作情况，真正实现了从高精度结构的角度去理解功能，这将大大推动我们对于生命复杂性和人类疾病的全面认知。”刘龙奇表示。

△时空组学联盟启动

据悉，系列研究由华大研究院联合中国科学院广州生物医药与健康研究院、南方科技大学、华中农业大学等来自6个国家的32个科研团队共同参与完成。研究已通过伦理审查，严格遵循相应法规和伦理准则。

接下来，时空组学技术将用于细胞图谱、疾病研究、个体发育和物种进化等方面的研究。