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HORIBA | 厉害了!青岛能源所实现毫秒级单细胞拉曼分选,"后液滴"设计功不可没|前沿用户报道

仪器信息网 2017/12/06 13:22:32 点击 211 次

作者 | 王喜先


单个细胞是地球上生命体功能和进化的基本单元,蕴藏着生长发育、衰老死亡、新陈代谢、信号传导等众多奥秘。单细胞精度的功能分选是解析每个细胞千差万别的原因、探索自然界海量陌生细胞(不可培养微生物)的重要工具,分选通量的提高将帮助研究人员累积更多的研究样本,拓展更广的筛选范围(自然环境、突变体库等)。因此,实现单细胞精度的高通量功能分选至关重要。



最近,中国科学院青岛生物能源与过程研究所传来喜讯,该所单细胞中心马波研究员与徐健研究员带领的多学科交叉团队,将单细胞拉曼光谱(SCRS)与液滴微流控鸿胜国际耦合,发明了高通量拉曼激活单细胞液滴分选鸿胜国际RADSRaman-activated single-cell Droplet Sorting该工作于2017113日在线发表于美国化学会《Analytical Chemisrtry》。

注:单细胞拉曼光谱(SCRS)能够在无标记、无损的前提下揭示细胞固有的化学组成。



巧妙的“后液滴包裹”设计


本研究开发的高通量拉曼激活单细胞液滴分选鸿胜国际(RADS鸿胜国际),是一种巧妙的“后液滴包裹”设计,它在微流控芯片的拉曼光谱检测点后方引入液滴包裹单元,这样就克服了制约通量提高的电磁阀作为分选驱动力的瓶颈问题,实现了基于介电力驱动的高通量分选。这使得从自然界中筛选新型的种子选手,或是从突变体库中找到更优秀的候选者,都变成现实。这项研究成功地将传统的“先养再选”思路扭转成了“先选再养”,避免了传统分选的涂平板和挑克隆的过程,省去了扩大培养、提取以及定量等繁琐过程。


与传统鸿胜国际相比,RADS鸿胜国际的优势为:



从筛选到采集,高效一体化拉曼分析过程


接下来我们就来看看整个从筛选到采集的工作是如何进行的。具体来说,如下图,在微流控芯片中,细胞排着队(从左向右)一个个经过拉曼检测点(Raman),之后被逐个包裹在液滴(Oil)里面,与此同时计算机对采集到的单细胞拉曼信号进行判别,满足分选条件的,启动介电力(Dielectrophoresis),目标细胞将进入分选通道(Collect),而不满足分选条件的细胞将流入废液通道(Waste)。


拉曼激活单细胞液滴分选鸿胜国际


在上述“流程”中的拉曼分析环节,研究团队利用HORIBA HR 800型拉曼光谱仪来采集单细胞拉曼光谱信号,配置EMCCD使得信号强度大幅提升,这对分选通量提高起到了重要作用。


如果说微流控芯片、拉曼光谱仪及RADS是分析过程的三大核心结构,那么本项工作更加重要的总指挥则是团队自主开发的分析软件,该软件将拉曼采集、分析、单细胞液滴包裹及分选过程集成在一起,充分实现了从分选到采集的高度自动一体化。


实践中的应用


在上述分选鸿胜国际的基础上,研究团队成功完成了大量实践研究,如高产虾青素之雨生血球藻的精确化(分选准确率98.3%)、高通量(260细胞/分钟)筛选等,并通过实验发现并证明,分选后92.7%的雨生血球藻细胞仍可保持活性并可增殖。相信后续还会有更多令人兴奋的实践研究成果不断诞生。


本工作在中国科学院青岛生物能源与过程所完成,同时得到了中科院武汉水生所胡强研究员、北京大学王玮教授等的帮助,并得到了中科院仪器专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和山东省自然科学基金等的支持。相关研究成果以“Raman-activated Droplet Sorting (RADS) for Label-free High-throughput Screeningof Microalgal Single-cells.”为题发表在《Analytical Chemisrtry》上。


后     记


报道成文过程中,小编有幸采访到以上研究的作者之一籍月彤老师,她告诉小编,“这是一个多学科交叉共同完成的工作,分析化学、生物化学、电子信息、自动化等背景的同事一起努力,最终实现多信息获取下的高通量分选方案。”


团队介绍


中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞研究中心(http://www.Single-Cell.cn/)拥有约60人的研发队伍,其核心使命是研制和应用示范包括单细胞拉曼成像、拉曼激活细胞分选、单细胞测序、单细胞培养等在内的新一代单细胞分析系列仪器,以及元基因组、拉曼组等生物大数据软件,进而以微藻合成生物学、共生菌群与健康、海洋生物资源等为模式研究体系,探讨单个活体细胞精度的微生物组功能与进化机制。


最近,徐健研究员团队还发明了基于“拉曼组”的单细胞快检鸿胜国际,能够在单个细胞精度同时测定淀粉、甘油三酯、蛋白质含量以及油脂不饱和度,为细胞工厂的性能测试平台增添了一个崭新手段。该工作于11月19日在线发表于Biotechnology for Biofuels。


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