近日，Trends in Biotechnology发表了江南大学糖化学与生物技术教育部重点实验室刘龙教授课题组的综述论文 “Microscopy Imaging of Living Cells in Metabolic Engineering” (Lv et al., Trends in Biotechnology. 2022. 40: 752-765)。吕雪芹副研究员为论文第一作者，刘龙教授为通讯作者。

代谢工程旨在构建稳定且高效的细胞工厂，将廉价且可持续的原材料转化为高附加值的生物基产品。在细胞工厂的构建过程中，酶表达量的实时监测、蛋白亚细胞定位的精准分析、途径酶的动态分布，以及多酶复合体形成过程的解析等对精细控制酶活性和提高途径效率均具有重要意义，然而，常规生化检测方法获得的数据往往是体外多细胞的平均结果，无法实现对上述过程的实时动态原位监测，给细胞工厂的构建带来了挑战。活细胞显微成像，特别是超高分辨的显微成像技术，作为一种可实现活细胞甚至单个分子的实时动态监测的高度特异性工具，它的出现为代谢工程领域带来了新的发展机遇。

随着荧光分子探针的发展和显微镜分辨率的提高，活细胞显微成像技术，特别是新一代显微成像技术，已广泛应用于细胞生物学、组织生物学、神经科学等学科及相关领域。然而，该技术在代谢工程和合成生物学中的应用潜力才刚刚得到重视，相关技术的引进还有待进一步扩大。了解各种显微成像技术的优缺点及其与代谢工程或合成生物学的关系仍然是一个重要的研究方向和关注点。在这篇综述中，我们首先总结了显微成像技术在代谢工程和合成生物学相关研究中的重要性；之后，系统地介绍和阐述了几种显微成像技术的基本原理、优缺点以及它们在代谢工程和合成生物学相关领域的应用和潜在的适用范围，包括共聚焦激光扫描显微术、双分子荧光互补技术、荧光共振能量转移技术、空间光干涉显微术、全内反射荧光显微术，以及包括随机光学重建显微术和光激活定位显微术在内的超高分辨率显微成像等技术；最后，我们讨论并展望了活细胞成像，尤其是超分辨率显微成像技术在代谢工程和合成生物学领域目前面临的挑战、可能的解决策略以及未来的发展前景。

上述研究工作得到了国家自然科学基金(31870069, 32021005)、国家重点研发计划(2020YFA0908300, 2018YFA0900300)、中央高校基本科研专项资金(JUSRP52019A, JUSRP121010, JUSRP221013)等的资助。

图1 活细胞显微成像与微生物底盘细胞构建的相关性

图2 活细胞显微成像技术在解决代谢工程中相关问题的优势 

图3 以酿酒酵母为例展示多种活细胞显微成像技术的原理 

图4 超分辨显微成像技术在枯草芽孢杆菌中的应用示意图