近日，深圳华大生命科学研究院（下称“华大研究院”）联合多家机构在Cell出版社官网上，以时空组学联盟专题的形式发布了全球首批生命时空图谱。该图谱从时间和空间维度上，对生命发育过程中的基因和细胞变化过程进行了超高精度解析，为认知器官结构、生命发育、人类疾病和物种演化提供了新方向。
Cell杂志刊出时的头图
据介绍，华大研究院利用自主研发的堪称“超广角百亿像素生命照相机”的时空组学技术Stereo-seq，首次绘制了小鼠、斑马鱼、果蝇、拟南芥四种模式生物胚胎发育或器官的时空图谱。这一技术还能同时“拍到”每个细胞的基因信息和空间位置，实现了器官和生命全景分子细胞图谱的绘制，有助于研究人员认识生命的发展过程。
华大研究院时空组学首席科学家陈奥介绍，通过Stereo-seq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。过去要做几千甚至上万次的实验才能完成的时空图谱，现在使用华大自主研发的时空芯片，只需一次定位就能实现。
“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。”华大研究院生物信息首席科学家黎宇翔说。
中国工程院院士、著名免疫学家曹雪涛认为，这是生命科学领域方法学的突破，也是我国在核心技术自主研发方面领先世界的一个范例和里程碑。未来在肿瘤或者衰老器官中，时空组学技术能够帮助我们理解免疫细胞、基质细胞和器官内主要细胞类型之间的关系发生了哪些改变，背后调控的机制又是什么，生理和病理意义是什么，相信这些信息将为人类疾病的预防、诊断与治疗带来革命性的突破。
事实上，在人类发育疾病方面，过去科学家们已经发现了很多与人类发育相关的变异，这些变异导致母亲怀孕的过程中流产或者新生儿出现出生缺陷等情况，比如唇腭裂、唐氏综合征等，但真正发病背后的原理人们还不甚了解。华大研究人员称，现在研究人员能够借助时空组学Stereo-seq技术，找到生命体在发育的哪些时期、哪个器官、哪种细胞类型发生了异常，这对未来潜在的治疗具有重要意义。
近年来，时空组学技术在生命科学和临床医学研究中发挥着越来越大的作用，2020年《自然·方法》将时空组学技术评为年度技术。“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观察和理解，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。”华大研究院单细胞组学首席科学家刘龙奇表示。
全球首批生命时空图谱发布当日，为了推动时空组学在生命科学各领域的广泛应用和快速发展，华大研究院等机构还联同全球科学家发起了“时空组学联盟”国际合作计划，联盟将在器官、疾病、发育、演化四个方向，充分发挥时空组学的技术优势，促进物种演化、胚胎发育、疾病机理等领域的研究。
据华大研究院相关负责人介绍，时空组学联盟是一个国际化的科学联盟，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，不仅有生物学家，还有数学家、计算机学家，是多学科交叉的联盟，其中包含多位世界顶级的科学家。联盟成员、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心主任蒲慕明院士表示，联盟的成立是一个非常重要的里程碑。“过去大量的各类组学数据都缺少时空信息，而时空信息的收集、分析、建模等工作，是生物学的未来研究方向。”
华大研究院院长徐讯表示，希望通过这个大科学工程和全球合作，一起推动人类终极问题的解答，“比如脑科学，为什么大脑能够进行高级的认知活动？比如说衰老，为什么人会衰老，而有些物种却可以活得非常长？还有像癌症这样的疾病等等。联盟是一个科学界的自发组织，通过联盟促进科学家们交流学习，共享数据，推动科学的发展。”
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