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青島能源所發明簡易高效的單細胞分選與測序對接技術

來源:青島生物能源與過程研究所 作者: 2017-2-6

摘要: 為了滿足考察自然界中細胞“原位功能”這一共性科學需求,“現場”、“實時”的單細胞分選與測序已成為生命科學裝備研制領域的一個重要發展趨勢。盡管第三代測序技術已實現儀器微型化,但與測序對接的單細胞精準分選裝備卻仍然相當笨重和昂貴,難以支撐各種科學考察中針對微生物組功能的現場分析。最近,中國科學院青島生......


 為了滿足考察自然界中細胞“原位功能”這一共性科學需求,“現場”、“實時”的單細胞分選與測序已成為生命科學裝備研制領域的一個重要發展趨勢。盡管第三代測序技術已實現儀器微型化,但與測序對接的單細胞精準分選裝備卻仍然相當笨重和昂貴,難以支撐各種科學考察中針對微生物組功能的現場分析。最近,中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞研究中心研究員馬波帶領的微流控系統團隊,通過設計簡易高效的單細胞分選與測序對接裝置,實現了每個試管有且只有一個細胞(One-Cell-One-Tube),有望服務于“現場”、“實時”乃至“便攜式”的單細胞分選與測序。

與人體和高等動植物細胞相比,微生物細胞通常更小(0.1-10 微米),更加難于精準操縱,因此分離獲取目標單細胞、并且實現測序反應要求的“One-Cell-One-Tube”是一個關鍵難點。目前的自動單細胞分離方法大多依賴于昂貴且體積龐大的熒光流式細胞分選儀(FACS),而現有的手動單細胞分離和測序方案在依賴于操作人員熟練程度的同時,同樣需要顯微單細胞移液平臺、激光光鑷等同樣難以隨身攜帶的大中型儀器。此外,單細胞分選及核酸制備過程極易受到環境中飄浮微生物及其DNA的污染,而且這種污染通常難以在測序數據處理環節完全去除。因此,盡管目前MinION等第三代測序儀已經實現了便攜化,微生物單細胞分選和測序仍然操作繁瑣、污染干擾嚴重,難以滿足要求。

針對上述挑戰,青島能源所單細胞中心張強和王婷婷等發明了一種名為“FOCOT”(Facile One-Cell-One-Tube的縮寫)的方法,能夠精確、高速、低成本地分離、獲取與分裝單個微生物細胞,從而與單細胞測序直接對接。該方法具體為:首先,通過微流控技術,將細胞分散包裹在數十微米直徑的油包水微液滴中;其次,基于液滴顯微光學成像識別技術,分選出單細胞包裹液滴;第三,將單細胞包裹液滴順序分布于系列試管中,從而快速實現單個細胞的分離,以及每個試管有且只有一個細胞,以實現與單細胞全基因組擴增與測序的直接對接。

FOCOT平臺主要有三個特色。第一,在簡易方便方面,FOCOT平臺除自行設計的芯片之外,僅需要電磁閥、平板電腦和普通光學顯微鏡,不需外接任何高成本商品化儀器平臺,具有易獲取、易替換、低成本等優勢。同時,模塊化、小型化、操作簡便的設計使得該裝置適合在自然環境實地采樣條件下的攜帶、裝配和使用,也幾乎不需要額外的人員培訓和技術維護,因此尤其適用于面向各種極端自然環境的科學考察,也有利于在普通實驗室的推廣應用。第二,在分選高效方面,FOCOT平臺通過顯微鏡下對包裹有單個細胞的液滴的準確識別和分選,能有效避免假陽性;而且其20秒/個的分選速度,與顯微單細胞移液、激光光鑷等現有的商品化分選裝備相比具有明顯優勢。同時,單細胞獲取率高于90%,培養成功比例至少80%,證明該方法能有效避免芯片表面吸附所導致的輸運過程中細胞流失,而且對細胞活性沒有或較小損傷。第三,在污染控制方面,FOCOT平臺涉及部件少,體積小型化,相對封閉,因此在實驗過程中能夠方便地實現超潔凈環境空間控制、芯片消毒等操作,嚴格控制環境DNA的污染。對分離獲取的單個酵母細胞進行全基因組擴增與測序后結果顯示,99%的有效序列可以與參考基因組匹配,表明該方法能有效避免環境中微生物帶來的DNA污染,平均基因組覆蓋率達到43.3%,與在昂貴的超凈空間設施中采用FACS等大型儀器系統分離獲取單細胞所獲得的測序結果相當。

目前,通過耦合FOCOT與中心前期開發的單細胞拉曼成像、拉曼流式細胞分選等技術,單細胞中心正在構建一個服務于岸基、船基乃至手基等不同需求的非標記式單細胞分析裝備體系,以服務于能源、環境、健康、海洋、土壤等諸多微生物組應用領域。

相關研究論文發表在《科學報告》上。研究工作由單細胞中心馬波和徐健共同主持完成,獲得了國家基金委科學儀器基礎研究專項、面上項目和中科院生物高通量分析技術服務網絡(STS)等項目的支持。

論文信息:Development of a facile droplet-based single-cell isolation platform for cultivation and genomic analysis in microorganisms. Sci Rep, 7:41192, DOI: 10.1038/srep41192。

FOCOT方法示意圖



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