微生物生長表型篩選是工業(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(zhǔn)的單細(xì)胞精度生長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程研究所單細(xì)胞中心開發(fā)了低成本、非標(biāo)記的微型液滴微流控平臺(tái)。該平臺(tái)可通過單細(xì)胞微液滴培養(yǎng)、液滴自熒光檢測、目標(biāo)微液滴自動(dòng)分選等步驟完成單細(xì)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(zhǔn)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(zhí)行器B：化學(xué)》（Sensors and Actuators B: Chemical）上。

　　蘇州汶顥細(xì)胞培養(yǎng)、分選PDMS微流控芯片

優(yōu)質(zhì)菌株的選育需滿足“長得快”和“產(chǎn)量高”兩個(gè)特征。傳統(tǒng)的宏觀體系通過測量生物量和產(chǎn)物濃度等指標(biāo)獲取生長和代謝表型特征，但通量低且難以真實(shí)反映菌株?duì)顟B(tài)。單細(xì)胞水平的微生物表型篩選能夠精確評(píng)估微生物生長狀態(tài)和代謝特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢菌株選育。目前，單細(xì)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(chǎn)”菌株，尚缺乏單細(xì)胞水平的生長表型高通量篩選方案，難以實(shí)現(xiàn)“長得快”菌株的高通量選育。

　　本研究基于微生物在液滴內(nèi)的自發(fā)熒光，開發(fā)出低成本、非標(biāo)記的液滴微流控篩選平臺(tái)。該平臺(tái)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(shù)將微生物單細(xì)胞包裹于微液滴中，并分散培養(yǎng)；將培養(yǎng)后的液滴注入到微流控芯片中，在檢測區(qū)域采集365 nm激光照射下的微液滴自發(fā)熒光；通過光纖將光信號(hào)傳輸?shù)絇MT中，并利用編程軟件和高頻電壓控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)液滴的自動(dòng)分選。

　　研究系統(tǒng)評(píng)估了上述平臺(tái)的核心性能。在分選通量驗(yàn)證方面，液滴自發(fā)熒光的信號(hào)采集頻率最高可達(dá)1000 Hz，液滴分選頻率最高可達(dá)200 Hz。在分選可靠性方面，如將分選閾值設(shè)置為區(qū)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(dá)95.3%，廢液通道中空液滴百分比達(dá)91.7％；如將分選閾值設(shè)置為區(qū)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(xì)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％。

非標(biāo)記式微生物單細(xì)胞生長表型快速分選

　　前期研究開發(fā)了系列拉曼流式單細(xì)胞分選技術(shù)FlowRACS。該技術(shù)能夠在非標(biāo)記的條件下高通量、高效率地識(shí)別分選出單細(xì)胞代謝產(chǎn)物含量高（“高產(chǎn)”）的菌株；通過耦合本工作開發(fā)的單細(xì)胞水平生長表型快速篩選技術(shù)，能夠進(jìn)一步篩選出“長得快”的菌株，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)微生物選育的目標(biāo)。科研人員將依托上述系列創(chuàng)新技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展單細(xì)胞水平的菌株選育平臺(tái)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(jì)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。

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