單細(xì)胞基因組測序是生命科學(xué)與生物技術(shù)的共性使能技術(shù)之一，但其推廣應(yīng)用卻面臨著諸多瓶頸。一方面，單個細(xì)胞的核酸含量極低，為滿足測序所需核酸量通常須大幅增加擴(kuò)增循環(huán)數(shù)，這將極度放大基因組DNA擴(kuò)增的偏好性，從而大幅度降低單細(xì)胞全基因組覆蓋率；同時，單細(xì)胞的分離獲取、裂解、擴(kuò)增等過程通常十分繁瑣，而且操作困難、易于污染。針對這些瓶頸問題，青島能源所單細(xì)胞中心開發(fā)了一種模塊式的可尋址動態(tài)液滴陣列平臺（aDDA）。該平臺能快速分離獲取單細(xì)胞，并批量完成單細(xì)胞裂解、高覆蓋度核酸擴(kuò)增和產(chǎn)物回收，為單細(xì)胞全基因組測序樣品制備提供了一種創(chuàng)新的全集成技術(shù)，該研究于7月23日發(fā)表于Small。
模塊式可尋址動態(tài)液滴陣列平臺
單細(xì)胞基因組測序樣品制備需要整合不同的功能單元，以完成一個復(fù)雜、多步的完整實(shí)驗(yàn)過程。支撐這一過程的液滴微流控技術(shù)，一方面在液滴操控上需要“靜”，以利于單細(xì)胞液滴的鑒別和追蹤，從而提高單細(xì)胞分離獲取的可信度；另一方面又需要“動”，以便于可控地添加試劑，從而快速實(shí)現(xiàn)連續(xù)多步反應(yīng)。然而，現(xiàn)有的“連續(xù)流動”和“靜態(tài)模式”的液滴微流控方法卻難以滿足上述“動”、“靜”兼顧的要求。針對這一問題，單細(xì)胞中心李春宇副研究員提出了一種動態(tài)液滴操控新方法，可在“動”與“靜”的完美結(jié)合中準(zhǔn)確地鑒別和追蹤包裹單細(xì)胞的液滴，同時精準(zhǔn)可控地向靜態(tài)液滴中添加試劑，以啟動核酸擴(kuò)增反應(yīng)。依托這一關(guān)鍵技術(shù)，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了名為aDDA的模塊式集成化可尋址動態(tài)液滴陣列，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞基因組測序樣品制備的全流程集成。該陣列具有以下特點(diǎn)：
第一，高集成度。通過多種液滴操控基本功能單元在微芯片上的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞分離、細(xì)胞裂解、擴(kuò)增試劑添加、在線預(yù)擴(kuò)增以及擴(kuò)增產(chǎn)物回收等環(huán)節(jié)的在線化與集成化。
第二，高可信度。通過“可尋址”的微腔室設(shè)計(jì)，結(jié)合“動靜結(jié)合”的單細(xì)胞微液滴操作，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞核酸樣品制備各環(huán)節(jié)的可控制、可追蹤、可驗(yàn)證，從而確保了操作的準(zhǔn)確性。
第三，高覆蓋度?；谇捌陂_發(fā)的“微液滴單細(xì)胞精確包裹”技術(shù)，將通常的微升級MDA擴(kuò)增體積大幅縮小到亞納升級（三個數(shù)量級的壓縮），從而大幅度降低基因組擴(kuò)增的偏好性、提高基因組的覆蓋率。相比于20 L的擴(kuò)增體系，基于aDDA（300 pL擴(kuò)增體系）能將酵母單細(xì)胞基因組的覆蓋率從26%提高到91%。
下一步，研究人員將基于aDDA研制全自動單細(xì)胞基因組測序樣本制備儀。該儀器將作為下游環(huán)節(jié)，和單細(xì)胞中心研制的CAST-R、RACS-Seq、FlowRACS、EasySort Lego/Compact等單細(xì)胞拉曼系列儀器系統(tǒng)對接，針對微生物組、突變體庫、人體組織等復(fù)雜細(xì)胞樣品，服務(wù)從單細(xì)胞代謝表型組到相應(yīng)基因組的高通量解析。
該工作由青島能源所單細(xì)胞中心馬波研究員主持完成，獲得了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院等的支持。
Chunyu Li*, Yanhai Gong, Xixian Wang, Jian Xu, and Bo Ma*. Integrated addressable dynamic droplet array (aDDA) as sub-nanoliter reactors for high-coverage genome sequencing of single yeast cells. Small 2021. smll.202100325
