科研人員開(kāi)發(fā)出非標記液滴單細胞微生物生長(cháng)表型篩選技術(shù)

  微生物生長(cháng)表型篩選是工業(yè)育種、酶定向進(jìn)化和合成生物學(xué)等領(lǐng)域面臨的限速步驟。精準的單細胞精度生長(cháng)表型測量是突破上述瓶頸的關(guān)鍵。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所單細胞中心開(kāi)發(fā)了低成本、非標記的微型液滴微流控平臺。該平臺可通過(guò)單細胞微液滴培養、液滴自熒光檢測、目標微液滴自動(dòng)分選等步驟完成單細胞水平的微生物生長(cháng)表型篩選，并在大腸桿菌中示范該方法的準確度和可靠性，為工業(yè)菌株的快速篩選提供了有力手段。相關(guān)研究成果發(fā)表在《傳感器和執行器B：化學(xué)》（Sensors and Actuators B: Chemical）上。 

  優(yōu)質(zhì)菌株的選育需滿(mǎn)足“長(cháng)得快”和“產(chǎn)量高”兩個(gè)特征。傳統的宏觀(guān)體系通過(guò)測量生物量和產(chǎn)物濃度等指標獲取生長(cháng)和代謝表型特征，但通量低且難以真實(shí)反映菌株狀態(tài)。單細胞水平的微生物表型篩選能夠精確評估微生物生長(cháng)狀態(tài)和代謝特征，進(jìn)而實(shí)現優(yōu)勢菌株選育。目前，單細胞水平的高通量表型篩選僅限于代謝表型，如通過(guò)熒光激活液滴分選（FADS）獲取“高產(chǎn)”菌株，尚缺乏單細胞水平的生長(cháng)表型高通量篩選方案，難以實(shí)現“長(cháng)得快”菌株的高通量選育。 

  本研究基于微生物在液滴內的自發(fā)熒光，開(kāi)發(fā)出低成本、非標記的液滴微流控篩選平臺。該平臺可完成微生物生長(cháng)表型的高通量篩選。具體流程為：通過(guò)液滴微流控技術(shù)將微生物單細胞包裹于微液滴中，并分散培養；將培養后的液滴注入到微流控芯片中，在檢測區域采集365 nm激光照射下的微液滴自發(fā)熒光；通過(guò)光纖將光信號傳輸到PMT中，并利用編程軟件和高頻電壓控制實(shí)現目標液滴的自動(dòng)分選。 

  研究系統評估了上述平臺的核心性能。在分選通量驗證方面，液滴自發(fā)熒光的信號采集頻率最高可達1000 Hz，液滴分選頻率最高可達200 Hz。在分選可靠性方面，如將分選閾值設置為區分液滴中是否含有微生物，分選通道中含微生物液滴的百分比達95.3%，廢液通道中空液滴百分比達91.7％；如將分選閾值設置為區分是否是快速生長(cháng)的微生物，分選前樣品只有1.58％的液滴包裹快速生長(cháng)微生物，11.46％的液滴包裹慢速生長(cháng)微生物，其余液滴為空液滴，分選后分選通道中包裹快速生長(cháng)微生物細胞的液滴百分比增加到90.78％，包裹慢速生長(cháng)微生物的液滴和空液滴的百分比分別為8.25％和0.97％。 

  前期研究開(kāi)發(fā)了系列拉曼流式單細胞分選技術(shù)FlowRACS。該技術(shù)能夠在非標記的條件下高通量、高效率地識別分選出單細胞代謝產(chǎn)物含量高（“高產(chǎn)”）的菌株；通過(guò)耦合本工作開(kāi)發(fā)的單細胞水平生長(cháng)表型快速篩選技術(shù)，能夠進(jìn)一步篩選出“長(cháng)得快”的菌株，從而實(shí)現工業(yè)微生物選育的目標�？蒲腥藛T將依托上述系列創(chuàng )新技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展單細胞水平的菌株選育平臺關(guān)鍵技術(shù)與裝備，以支持工業(yè)生物技術(shù)與合成生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 

  研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金以及山東能源研究院基金的支持。 

非標記式微生物單細胞生長(cháng)表型快速分選

來(lái)源：中國科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所

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