细胞分子活性筛选分析系統

p　　近日，国家自然科学基金委员会化学科学部在北京召开了2017年度“科学仪器基础研究专款”项目结题验收会。唐波教授作为山东师范大学获批的首个科学仪器基础研究专款项目“适用于单细胞内活性小分子物种检测的荧光分析仪”的负责人参加会议，并进行结题汇报。/pp　　该项目在以活性小分子为重点对象的新型荧光探针研究的基础上，以设计的多功能微流控、单细胞分析芯片、双激光诱导荧光三色检测以及信号采集与系统控制等关键技术为单元模块，研制出了适用于单细胞内活性小分子物种检测的荧光分析仪 建立了单细胞内浓度差别大的多种重要小分子(活性氧、活性氮、巯基化合物、金属离子等)的同时定量检测新方法，获取了单细胞内这些活性小分子的含量、水平变化与细胞分子事件的相关性信息。/pp　　项目研制的仪器，解决了目前商品化荧光光谱仪不适应单细胞、激光共聚焦与流式细胞仪难以准确定量单细胞内活性小分子的不足，为单细胞分析、小分子检测等领域提供了一种重要的科学仪器。项目建立的分析方法，突破了难以同时获取单细胞内多种重要小分子定量信息的瓶颈，将在单细胞水平上为活性小分子相关的生理病理机制研究提供一种全新的分析方法。项目执行期间发表SCI论文74篇，总引用1676次 申请发明专利14件，授权5件 研究成果获得省部级奖励2项，并在人才培养方面取得了显着成效。/pp　　验收专家组听取了项目负责人的汇报，审阅了相关资料，观看了研制仪器核心部件及仪器正常工作状态的录像，经质询、评议，认为该项目研究工作全面完成了研究计划，取得了突出进展，以综合评价优秀的优异成绩通过验收。/ppbr//p

p style="text-indent: 2em "微生物所strong微生物资源前期开发国家重点实验室/strong杜文斌研究组和黄力研究组共同开发了一种新型的strong微流控界面纳升注射技术/strong(Interfacial Nanoinjection, INJ)，该技术可以将传统的生化反应体系微缩在一个纳升体积的油包水微液滴体系中完成。/pp　　strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "界面纳升注射(INJ)具有诸多显著优势/span/strong/pp　　针对这一技术创新，团队申请了多项中国发明专利和美国专利，并研制了基于INJ技术的小型桌面系统。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/fe470173-c411-4a4f-857f-952adad6e8d5.jpg" title="界面纳升注射(INJ)系统.jpg" alt="界面纳升注射(INJ)系统.jpg"//pp style="text-align: center "界面纳升注射(INJ)系统/pp　　该系统和国外同类产品如美国Labcyte公司的Echo超声纳升移液系统、以及美国TTP Labtech公司的mosquito HTS微量筛选系统相比，strong在仪器成本、耗材成本、最小液滴体积、流式细胞仪兼容性、操作的灵活性、以及污染控制等方面，均具有显著优势，/strong适用于各类单细胞微体积反应分析，也可应用于其他微体积反应分析，在微生物培养筛选、合成生物学、药物筛选、蛋白结晶条件筛选等方面均具有应用潜力。/pp　　在性能方面，INJ系统通过高精密度的微体积控制实现不同试剂组分的纳升体积分步添加，兼容96和384孔板，可以在预先填装矿物油的孔板上，按照程序设定加入纳升样品或试剂液滴，用于实现高通量筛选。利用低成本探针可以精确加注的最小体积达到1 nL，当加样体积为5 nL时，体积标准偏差小于11 %。加注的液滴通过离心可以沉降到孔板底部并融合，液滴的融合效率最高，达到99%以上。利用多次加注样品、试剂的方法，可以实现多步反应和浓度梯度配置。系统加注的体积精确性、线性和重现性良好。/pp　strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "　FACS-INJ单细胞分析流程和应用/span/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 281px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/7cc806a5-55aa-475f-a110-69b3c5038b70.jpg" title="杜文斌-流式细胞分选+界面纳升注射技术图示.jpg" alt="杜文斌-流式细胞分选+界面纳升注射技术图示.jpg" width="600" height="281" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "span style="text-align: center "FACS-INJ单细胞分选分析流程/span/pp　　strong单细胞分析是一项变革性技术/strong，在单细胞基因组异质性研究及复杂微生物群落中稀有微生物种群多样性研究等领域应用广泛。然而，如何进一步降低单细胞分析的成本，提高可靠性和效率，仍然面临重大挑战。流式细胞荧光激活细胞分选(FACS)是目前最高效的单细胞分选技术，可实现病毒、细菌、真菌和动物细胞的多参数检测和分选 利用荧光标记，可对不同类型的细胞进行有效的区分，分选成功率高。研究团队将INJ与FACS平台相结合，建立了FACS-INJ单细胞分选分析流程，应用覆盖了单细胞表型分析、基因型分析、基因表达分析以及全基因组扩增测序。/pp　　研究团队首先利用FACS-INJ系统实现了strong病原菌微生物单细胞耐药基因的PCR筛查和单细胞药敏表型筛查/strong。经优化，多孔板可预先装载纳升体积的PCR引物或不同浓度的抗生素液滴。PCR筛查体积缩小到500 nL，试剂消耗和成本和常规体系相比降低至原先的1/40，耐药检测的体积控制在200 nL，试剂消耗和成本和常规体系相比降低至原先的1/1000，时间从 12小时缩短至5小时，这对于大幅降低临床病原检测的成本，实现脑脊液、房水等难获取微量样品的耐药基因和表型筛查具有重要意义。/pp　　其次，FACS-INJ系统还可用于strong动物细胞的单细胞基因表达分析/strong。以小鼠巨噬细胞RAW264.7在细菌胞外多糖处理前后的炎症反应为例，通过荧光激活流单细胞式分选处理前后的小鼠巨噬细胞，基于一步法反转录实时荧光PCR扩增，在单细胞水平解析了次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶(HPRT)基因(看家基因)和白介素1β(IL-1β)基因(炎症反应)表达水平的变化。/pp　　最后，团队与北京大学黄岩谊课题组合作，建立了strong基于FACS-INJ的微生物全基因组扩增测序流程/strong，以获得未培养微生物的全基因组信息。流程包括流式分选微生物单细胞、单细胞裂解、酸碱中和、MDA扩增和建库测序。以热泉来源的古菌硫化叶菌(Sulfolobus sp. A20)菌株为模型，将单细胞扩增的体积优化至360nL，硫化叶菌全基因组覆盖度达到80%以上。在纳升级微液滴中实现西南印度洋未培养单细胞微生物全基因组DNA的MDA扩增与测序，拼接后获得15个单细胞基因组，大小在0.1~3.7Mb大小。该方法获得的微生物基因组污染度较传统的MDA扩增方法显著降低( 5%)，显著提高了微生物单细胞基因组数据质量。平台也适用于肿瘤、胚胎等动物细胞的全基因组扩增测序，对肿瘤细胞的单细胞测序的覆盖度达到60-80%。/pp　　上述研究工作近期作为特邀论文在线发表在Small上。微生物研究所助理研究员贠娟莉博士、郑小伟博士、徐鹏博士为论文共同第一作者，杜文斌研究员、黄力研究员和北京大学黄岩谊教授为论文共同通讯作者。该研究该研究得到了中国大洋协会大洋十三五重点项目、中科院战略性先导科技专项(B类)，中国科学院重点部署项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金面上项目和优青项目等支持。/pp　　论文出处：/pp　　Yun, J.L.sup#/sup Zheng, X.W.sup#/sup Xu. P.sup#/sup Zheng, X. Xu, J.Y. Cao, C. Fu, Y.S. Xu, B.X. Dai, X. Wang, Y. Liu, H.T. Yi, Q.L. Zhu, Y.X. Wang, J. Wang, L. Dong, Z.Y. Huang, L.* Huang, Y.Y.* Du, W.B.* Interfacial Nanoinjection-based Nanoliter Single-cell Analysis, Small, 2019, doi:10.1002/smll.201903739./pp　　a href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201903739" target="_self" style="text-decoration: underline font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(255, 0, 0) "strongspan style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai color: rgb(255, 0, 0) "查看原文戳这里/span/strong/a/pp　　strongspan style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "杜文斌/span/strongspan style="font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai "，男，中科院微生物研究所研究员。2007年于浙江大学化学系，获博士学位。2007-2011年于美国芝加哥大学化学系从事博士后研究工作。2013年11月加入中科院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室。主要从事微流控芯片技术及新型分析微生物技术与应用研究。已发表论文60余篇，申请中国和美国专利30余项，授权20多项。主持国家优秀青年科学基金项目，国家重点研发计划 “数字诊疗装备研发”项目，中国科学院前沿科学重点研究项目等。/span/p

2020年11月，哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室邢德峰教授团队应用辰英核心产品——拉曼单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS-R300，在期刊《Science of the Total Environment》上发表文章“Mini-metagenome analysis of psychrophilic electroactive biofilms based on single cell sorting”。相关文章链接一、研究背景微生物群落的活性对生物电化学系统（BES）中的细胞外电子转移（EET）过程具有重要影响，而了解这些复杂的微生物代谢相互作用是一个巨大的挑战。温度是影响细菌活性和胞外电子转移效率的主要环境因素之一。嗜冷电活性细菌的代谢功能对于研究低温（4-15℃）下细胞外电子转移（EET）机制具有重要意义。本研究采用拉曼细胞分选耦合高通量测序技术，准确获得嗜冷细菌群落的基因信息。首次通过拉曼光谱聚类分析，精准识别出杆菌属目标类群，并通过mini-metagenome测序分析，获知生物膜群落中膜运输功能基因ftsEX的相对丰度较高，说明其对低温的适应有助于电活性细菌在低温下生存；基础代谢如柠檬酸循环和糖酵解途径为胞外电子转移过程提供电子，高丰度铁(iii)转运系统基因的鉴定表明它们存在于电子转移过程的主动代谢反应中，细胞色素c（coxA和cox1）可能参与胞外电子转移。本研究揭示了嗜冷地杆菌在低温下具有细胞色素c介导的有效EET。二、实验设计mini-metagenome具有单细胞分辨率、低复杂度和高通量等优点，非常适合环境样本。在本研究中，作者通过单细胞拉曼分选获得了嗜冷微生物Geobacter，通过MDA扩增获得mini-metagenome。通过结合SCS和宏基因组测序，进而对嗜冷EABs的代谢功能有了更深入的了解。三、结果与讨论1. 单细胞分选和分类鉴定嗜冷微生物燃料电池（MFC）的电压持续时间曲线如图1A所示，峰值电压达到0.419~0.448 V。对运行至300天的嗜冷MFC中的微生物群落进行了基于16S rRNA基因的扩增子高通量测序，分析了嗜冷阳极生物膜的细菌群落结构。分析表明，大多数优势种群属于地杆菌属 Geobacter（相对丰度为68.29％）（图1B）。Fig.1 嗜冷MFC的电压持续时间曲线（A）和原始生物膜的群落结构（B）。结合拉曼光谱对35个具有短杆状形态的细菌细胞进行了检测，并通过依照其拉曼图谱进行的聚类分析将它们分为3个聚类组别（图2A和B）。单细胞拉曼分选后，目标菌从分选芯片上调入接收器中，其他菌保持不变(图2C和D)。Fig.2 基于拉曼光谱的嗜冷微生物单细胞聚类分析。不同簇的拉曼光谱(A)和聚类分析图(B)，分选前(C)和分选后(D)。分离菌成功获得基因组DNA，并通过16S rRNA基因扩增验证(图3)。Fig.3 分选细胞的基因组扩增(A)和PCR验证(B)。通过16S rRNA基因测序确定了mini-metagenome（聚类组别）的群落组成。从三个拉曼聚类组别样本中获得了超过100,000个高质量的16S rRNA基因有效reads。 Chao1以及Shannon和Simpson多样性指数表明，Cluster2的丰富度和物种均匀度比其他簇最低（Table 1）。Table 1. 16S rRNA基因测序分析不同类群的群落多样性在纲水平上确定的主要菌群是Cluster1中的Alphaproteobacteria（94.41％）和Cluster2中的Deltaproteobacteria（99.97％），而在Cluster3中，GammaProteobacteria（53.16％）和Deltaproteobacteria（46.56％）占主导地位（图4A）。此外，在属水平上，不同簇之间的微生物群落组成存在实质性差异（图4B和C）。在Cluster1和Cluster2中，主要属为Sphingomonae（94.41％）和Geobacter（99.97％），而在Cluster3中，Geobacter（46.56％）和Polaromonas（44.25％）是两种主导菌属。在Cluster1和Cluster3中，本研究感兴趣的Geobacter的相对丰度分别为5.43%和46.56%。这些结果表明，Cluster2是目标细菌的准确选择，因为Geobacter的相对丰度为99.97％。随后，对Cluster2进行了宏基因组测序，以生成微型宏基因组，以研究嗜冷细菌的潜在代谢活性。Fig.4 （A）和（B）不同簇的微生物群落结构，基于OTU（C）的PCA和基于微型宏基因组（D）中代表性回收细菌的基于16S rRNA基因的系统树。2. 嗜冷微生物的mini-metagenome分析基于16S rRNA基因的系统发育研究表明，基于单细胞分选回收得到的mini-metagenome与Geobacter thiogenes 和 Geobacter lovleyi的基因组相似(图4D)。 与KEGG数据库匹配的mini-metagenome序列显示了嗜冷细菌的代谢网络和功能的概述。这表明，膜运输（membrane transport）功能在mini-metagenome中占主导地位(图5A)。Fig.5 mini-metagenome中KEGG注释基因的数量(A)和特定基因的相对丰度(B)。此外，有大量的基因参与细胞运动（cell motility）、信号转导（signal transduction）、转运（translation）和碳水化合物代谢（carbohydrate metabolism），也有很多占比的未知功能基因。为了进一步表征嗜冷EAB的潜在代谢途径，列举了一些重要代谢途径(翻译、膜运输、电子转移和能量代谢物)的功能基因(图5B)。其中，与膜转运相关的基因afuAB和ftsEX的丰度相对较高(12%)。其他相对丰度较高的基因序列包括核糖体蛋白编码基因rpsDEKM(0.33%)和rplFTOQR(2.10%)，编码cox1的细胞色素c氧化酶亚基1(1.36%)，柠檬酸循环(TCA循环)或与糖酵解相关的korABD (0.51%) icd(0.50%)和pckA(1.31%)。此外，鞭毛蛋白(fliEOZ)、电子转移黄蛋白β亚基(fixA)和细胞色素c氧化酶亚基I (coxA)相关基因的相对丰度也较低。四、结论采用单细胞分选、层次聚类分析和群落结构高通量测序、宏基因组测序相结合的方法，深入研究了嗜冷EAB的代谢功能。成功地表征了地杆菌属Geobacter的生理信息和胞外电子传递的潜在代谢途径，并实现了准确的分离。mini-metagenome表现出嗜冷MFC群落结构对低温的适应和对电位电子转移过程的主动代谢反应。细胞色素c等关键基因在低温嗜冷EAB的EET中起重要作用。文章中提到的相关仪器：辰英科仪自主研制的单细胞分选仪PRECI SCS具有独特的可视化分选功能，所见即所得，精准实现目标细胞的逐一分离。采用独特的激光与物质相互作用原理，对于复杂生物样本中形态各异的细胞，可实现非标记状态下的精准分离。对于百纳米级的单个微生物细胞也同样适用。单细胞分选仪HOOKE PRECI SCSPRECI SCS具有可视化、精准、广泛适用等特点。分选过程不依赖标记，可与形态、拉曼、荧光等多种识别方式结合，多种机型可选，满足不同应用需求。搭载潜心研制的HOOKE IntP智能软件，实现单细胞图像智能识别、一键自动分选、全自动细胞获取等。设备操作流程简易，为单细胞测序、未培养微生物开发、工程细胞筛选、细胞图谱绘制等研究提供完美解决方案，助力前沿科学研究。拉曼单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS-R300PRECI SCS具有可视化、精准、广泛适用等特点。分选过程不依赖标记，可与形态、拉曼、荧光等多种识别方式结合，多种机型可选，满足不同应用需求。搭载潜心研制的HOOKE IntP智能软件，实现单细胞图像智能识别、一键自动分选、全自动细胞获取等。设备操作流程简易，为单细胞测序、未培养微生物开发、工程细胞筛选、细胞图谱绘制等研究提供完美解决方案，助力前沿科学研究。