微生物生長表型篩選是工業育種、酶定向進化和合成生物學等領域面臨的限速步驟。精準的單細胞精度生長表型測量是突破上述瓶頸的關鍵。近日,中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心開發了低成本、非標記的微型液滴微流控平臺。該平臺可通過單細胞微液滴培養、液滴自熒光檢測、目標微液滴自動分選等步驟完成單細胞水平的微生物生長表型篩選,并在大腸桿菌中示范該方法的準確度和可靠性,為工業菌株的快速篩選提供了有力手段。相關研究成果發表在《傳感器和執行器B:化學》(Sensors and Actuators B: Chemical)上。
優質菌株的選育需滿足“長得快”和“產量高”兩個特征。傳統的宏觀體系通過測量生物量和產物濃度等指標獲取生長和代謝表型特征,但通量低且難以真實反映菌株狀態。單細胞水平的微生物表型篩選能夠精確評估微生物生長狀態和代謝特征,進而實現優勢菌株選育。目前,單細胞水平的高通量表型篩選僅限于代謝表型,如通過熒光激活液滴分選(FADS)獲取“高產”菌株,尚缺乏單細胞水平的生長表型高通量篩選方案,難以實現“長得快”菌株的高通量選育。
本研究基于微生物在液滴內的自發熒光,開發出低成本、非標記的液滴微流控篩選平臺。該平臺可完成微生物生長表型的高通量篩選。具體流程為:通過液滴微流控技術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熒光;通過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現目標液滴的自動分選。
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的微生物,分選前樣品只有1.58%的液滴包裹快速生長微生物,11.46%的液滴包裹慢速生長微生物,其余液滴為空液滴,分選后分選通道中包裹快速生長微生物細胞的液滴百分比增加到90.78%,包裹慢速生長微生物的液滴和空液滴的百分比分別為8.25%和0.97%。
前期研究開發了系列拉曼流式單細胞分選技術FlowRACS。該技術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物含量高(“高產”)的菌株;通過耦合本工作開發的單細胞水平生長表型快速篩選技術,能夠進一步篩選出“長得快”的菌株,從而實現工業微生物選育的目標。科研人員將依托上述系列創新技術,進一步發展單細胞水平的菌株選育平臺關鍵技術與裝備,以支持工業生物技術與合成生物產業的發展。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省自然科學基金以及山東能源研究院基金的支持。
一、實驗目的驗證設備適用性:評估霉菌培養箱在28℃和36℃雙溫區條件下,對生干核桃樣品中霉菌與菌落總數的培養效果,確保符合GB4789.15與GB4789.2標準對培養環境的要求。測定微生物污染水平:......
深海高壓黑暗、冰川終年嚴寒、鹽湖高鹽脫水、地熱泉高溫滾燙……這些看起來寸草不生的極端環境,卻仍有微生物的存在。為了在“生命禁區”存活,這些微生物進化出了特殊的生存技能,也產生了大量獨特的活性物質,是天......
細胞凋亡的調控失常是腫瘤發生的標志性事件之一,多種抗癌藥物通過與細胞膜相互作用觸發腫瘤細胞凋亡。在此過程中,細胞膜微環境的變化及代謝重編過程,可通過脂質組學進行精確表征。但由于單細胞尺寸小且群體內部脂......
近日,我所生物分子結構表征新方法研究組(1822組)王方軍研究員團隊和化學反應動力學全國重點實驗室基元反應動力學研究組(1111組)肖春雷研究員團隊,聯合廈門大學杭緯教授團隊、深圳先進光源研究院殷志斌......
在人類肉眼難以看到的微觀世界中,生活著數量龐大的微生物。細菌、真菌和病毒等微生物共同構成了復雜而多樣的生命體系,也成為生命科學研究的重要對象。近日,在浙江泛亞生物醫藥股份有限公司(以下簡稱泛亞生物)成......
為促進細胞生物學,成像技術和單細胞技術融合創新和交流發展。CSCB和橫河電機生命科學組織了“從單細胞到全景組學:高內涵技術的突破性拓展與應用”分論壇。屆時將邀請袁霞教授(北京大學),JONATHANS......
在一項近日發表于《通訊-地球》的研究中,科學家探究了微生物如何在地球最惡劣的水下環境中存活。他們分析了脂質生物標志物——這類特殊脂肪分子能反映生物活性,以此揭示這些生物體的生存策略。該地點的pH值高達......
在人體腸道深處棲息著熙熙攘攘的微生物群落,每種微生物都在食物消化過程中扮演特定角色。其中存在一種能產生甲烷的特殊微生物,美國亞利桑那州立大學最新研究表明,這種產生甲烷的微生物可能影響人體從攝入食物中提......
近日,東北林業大學生態學院團隊在生態系統多功能性的微生物維持機制方面取得新進展。該研究揭示了土壤微生物通過調整高產-資源獲取-脅迫耐受生態對策來應對干旱的內在機制,從微生物生態對策的新視角闡明了生態系......
中國農業大學動物科學技術學院教授孫東曉團隊構建了覆蓋奶牛59種組織、179萬個細胞的多組織單細胞表達圖譜,為解析牛重要性狀遺傳調控機制、推進精準育種及探索人類疾病的牛模型研究提供了重要資源。9月5日,......