開發出非標記液滴單細胞微生物生長表型篩選技術

　　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。 

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