簡單高效的目標(biāo)液滴導(dǎo)出是制約靜態(tài)液滴陣列（SDA）廣泛應(yīng)用于高通量篩選的主要瓶頸問題。近日，青島能源所單細(xì)胞中心與青島星賽生物合作發(fā)明了基于光學(xué)的目標(biāo)液滴釋放系統(tǒng)（OODR），實現(xiàn)了SDA中目標(biāo)液滴的選擇性導(dǎo)出，并示范了微生物單細(xì)胞在線培養(yǎng)及目標(biāo)單液滴分選耦合測序/培養(yǎng)的流程，為微生物資源的挖掘提供了創(chuàng)新手段。該研究成果在線發(fā)表于生物技術(shù)與生物傳感器領(lǐng)域的核心期刊 Biosensors and Bioelectronics《生物傳感器和生物電子學(xué)》。
目標(biāo)液滴釋放系統(tǒng)OODR服務(wù)微生物單細(xì)胞在線培養(yǎng)及目標(biāo)單液滴分選耦合測序/培養(yǎng)
液滴微流控技術(shù)具有樣品和試劑消耗量少、自動化、高通量和精確操控等優(yōu)勢，推動了高通量篩選和測序領(lǐng)域的重大突破。目前液滴微流控技術(shù)可分為動態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)兩類。其中動態(tài)系統(tǒng)的代表——熒光激活液滴分選技術(shù)，無法對單個液滴進(jìn)行長時間觀察，因此無法滿足動態(tài)監(jiān)測類分析的需要，如觀察單個細(xì)胞形態(tài)變化或細(xì)胞間相互作用等。而SDA技術(shù)可以將液滴“困”在微孔或微腔中以實現(xiàn)長時間觀察，是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的有效解決方案。然而，目前提取和收集液滴的方法仍然相對繁瑣且不夠高效，限制了SDA技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
針對上述SDA中目標(biāo)液滴快速提取和收集的瓶頸問題，單細(xì)胞中心刁志鈿博士和王喜先副研究員帶領(lǐng)的研究小組，基于青島星賽生物的單細(xì)胞微液滴分選儀EasySort Compact，發(fā)明了基于光學(xué)的OODR，實現(xiàn)了對含有獨(dú)特分析物或細(xì)胞的目標(biāo)液滴的選擇性獲取。具體來說：首先，芯片采用低成本且易于獲得的氧化銦錫（俗稱ITO）導(dǎo)電玻璃作為光響應(yīng)層，與具有微腔室陣列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）層結(jié)合，可以快速創(chuàng)建SDA；其次，通過多次優(yōu)化，研究人員將1064 nm激光聚焦到ITO層的目標(biāo)位置，可以利用激光的光熱效應(yīng)產(chǎn)生微氣泡，從而選擇性地將目標(biāo)液滴從腔室中推出；最后，腔室中釋放的液滴在直通道內(nèi)流體的驅(qū)動下進(jìn)入出樣口，研究人員可以借助移液器槍頭利用固有的毛細(xì)力以單管單液滴的方式收集目標(biāo)液滴，并直接開展下游的測序/培養(yǎng)實驗。
研究結(jié)果證明，上述系統(tǒng)具備以下三方面的核心性能。首先，從由6400個微腔室組成的SDA中選擇性地釋放特定的幾個含熒光素鈉的液滴，顯示出~100%高成功率和~5%低殘留。此外，基于明場或熒光圖像，可以選擇性收集含有大腸桿菌或酵母的單/多細(xì)胞液滴，表明了系統(tǒng)的廣譜適用性。最后，以單管單液滴的方式收集的目標(biāo)液滴，其內(nèi)的細(xì)胞均可成功培養(yǎng)，一方面驗證了上述系統(tǒng)對細(xì)胞活力的影響較小，另一方面也證明了OODR系統(tǒng)與下游生化分析無縫耦合的可行性。
OODR系統(tǒng)在EasySort Compact的基礎(chǔ)上，耦合了具有光響應(yīng)層的微流控芯片，使得1064 nm激光不僅可以操控單個細(xì)胞，還可以操控單個液滴。OODR系統(tǒng)的開發(fā)拓展了EasySort系列儀器的應(yīng)用方向，在合成生物學(xué)菌株高通量篩選、微生物資源挖掘等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。下一步，研究人員計劃引入人工智能算法及自動化控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化和自動化水平，減輕人力負(fù)擔(dān)，提高工作效率。
該工作由單細(xì)胞中心馬波研究員和徐健研究員主持，與青島星賽生物合作完成，得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、山東省重大科技創(chuàng)新計劃項目、國家合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助。
Zhidian Diao#, Xixian Wang#, Jiaping Zhang, Anle Ge, Teng Xu, Lingyan Kan, Yuandong Li, Yuetong Ji, Xiaoyan Jing, Jian Xu*, Bo Ma*. Optical-based microbubble for on-demand droplet release from static droplet array (SDA) for dispensing one droplet into one tube. Biosensors and Bioelectronics, 2023, 240: 115639.
