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    单细胞中心推出首台高通量流式拉曼分选仪 为国产高端细胞科学仪器产业添薪加火

    发布时间:2020-8-9

        单个细胞是生命活动的基本单元,也是生物进化的基本单位。因此单细胞技术正在推动生命起源、细胞功能异质性机制、生命暗物质挖掘与利用等领域的一系列重大突破。单细胞拉曼光谱(SCRS)能非标记、非侵入性、无损、全景式地揭示细胞代谢状态,因此基于拉曼光谱的单细胞分选(Raman-Activated Cell Sorting,RACS),在单细胞技术体系中有着广阔的应用前景Biotechnol Adv,2019)。但是,拉曼谱图采集时间长、分选通量低等问题,限制了RACS的广泛应用。针对这些关键瓶颈,青岛能源所单细胞中心发明了基于介电单细胞捕获/释放的拉曼激活液滴分选技术pDEP-RADS,并研制成功国内外首台高通量流式拉曼分选仪产品样机FlowRACS。利用FlowRACS,首次示范了基于分子光谱、非标记式、单细胞精度、高通量流式的酶活筛选,为酶资源的探测和挖掘开辟了一个全新的技术路线。该工作近日发表于《科学进展》(Science Advances)。

      开发首台高通量流式拉曼分选仪FlowRACS,服务高通量酶筛选

      一个微生物细胞的体积通常只有一个人体细胞的千分之一。在高速液流中,针对这么微小的细胞,如何精确捕获、采集高质量全谱拉曼并实现高通量分选,一直是业界的重点和难点。针对上述问题,青岛能源所单细胞中心王喜先、辛一、任立辉等带领的研究小组发明了“介电单细胞捕获/释放拉曼激活液滴分选技术”pDEP-RADS(Positive dielectrophoresis based Raman-activated droplet sorting;图1)。通过周期性施加介电场,确保高速流动的单细胞被精确捕获在拉曼激光位点,以允许高质量拉曼谱图的采集;进而单细胞经液滴包裹,借助介电实现目标单细胞微液滴的高通量分选。

      在此关键技术突破的基础上,研究人员研制成功首台高通量流式拉曼分选仪FlowRACS。研究人员采用低拉曼背景石英玻璃为微流控芯片基材,以提高表型检测的普适性;以氧化铟锡(而非金属)加工电极阵列,以避免光热损伤;采用先拉曼检测后液滴包裹、液滴产生和分选同步进行的策略,避免了液滴对拉曼信号采集的影响,从而提高检测准确率并简化系统操作;最后通过自主开发的QSpec软件,实现了平台的自动化运行。

      新陈代谢是一切生命活动的基础,而新陈代谢离不开酶的催化作用。因此,酶是最主要的生物资源之一,也是生物技术产业的重要载体。例如,甘油三酯(TAG)是人体、动物和植物中油脂的主要成分,它具有极高的能量存储密度,而且在几乎所有细胞中都存在,因此是自然界的“能量存储货币”。细胞中TAG生物合成的最后一步和限速步骤,是二酰基甘油酰基转移酶(DGATs)。自然界中DGATs的功能极其多样,其活性不仅调控TAG产物的合成效率,还控制着其饱和度、碳链长度等;这些理化性质决定了TAG的用途和经济价值,例如是适合做营养品还是生物燃油。因此,作为油脂分子设计的关键工具,DGATs 的挖掘和筛选具有重大的科学意义和应用价值。

      但是,传统的DGATs筛选方法通常包括候选酶基因在底盘细胞中的表达、细胞扩增培养以积累足够生物质、从生物质中提取并通过薄层层析法分离TAG产物、用气相和液相质谱来分析和定量TAG中组分等繁杂步骤。这一流程通常需要一周时间,既耗时耗力,而且难以分析生长缓慢或尚难培养的细胞。业界也尝试用尼罗红等荧光染料来标记细胞中油脂,然后通过流式细胞荧光分选仪(FACS)分选细胞,但是荧光染料特异性低、难以定量分析、细胞壁对染料的通透性低或不可控、油脂饱和度无法表征等瓶颈问题仍然没有解决。

      针对这些瓶颈问题,单细胞中心“另辟蹊径”,提出了利用以拉曼为代表的分子光谱来筛选酶促反应活性的新思路。利用FlowRACS,单细胞中心首次在单个微生物细胞精度,实现了二酰基甘油酰基转移酶(在人体、动物和植物中催化油脂的合成)体内活性的非标记式、高通量、高准确率、无损分选。针对来源于微拟球藻的候选DGAT基因库,仅通过为时仅10分钟的FlowRACS运行,就成功获得3个已报道的强效基因和2个从未报道过的弱效基因。而前期基于传统方法对这3个强功能基因的筛选和表征,历时长达数月时间。

      与基于生物质提取和质谱分析的胞内油脂分析方法相比,FlowRACS的筛选时间、试剂耗材和人工成本仅为其百分之一,大大提高了酶的筛选效率。与FACS相比,FlowRACS不再需要针对酶的底物或产物进行荧光标记,可同时定量表征油脂含量和饱和度等多种关键的酶活指标,而且具有更高的检测灵敏度和更宽的动态范围。此外,能够荧光标记的底盘细胞很有限,而FlowRACS适用于任何细胞,这一特色对于从菌群等尚难培养微生物中直接挖掘酶和细胞工厂等生物资源来说,具有特别重要的意义。

      突破国产科学仪器产业化瓶颈,推动原创高端生命科学仪器产业发展

      近年来,在科研人员的努力与国家政策的支持下,我国高端科学仪器研制取得了积极的进展,但是仅仅是“追赶”和“并行”的发展方式并不能够从根本上扭转高端仪器依赖进口的现状。放眼中国各大科研院所、高校和企业研发中心的实验室,进口仪器、尤其是高端进口仪器仍然占据着数量与经费的绝对优势。一旦遭遇国外的技术封锁,我国的科学研究将遭遇无源之水、无米之炊的窘境,科技发展将面临前所未有的困局。

      然而,科学仪器产业却是我国科技链条的最短板之一。全球科学仪器公司20强中,国产仪器公司无一上榜。2019年美国仪器行业巨头赛默飞、丹纳赫、安捷伦的全年收入分别达到255.4亿美元、179.1亿美元和51.6亿美元,而排名最靠前的国产仪器厂商同期营业收入仅仅为7.34亿美元。与此同时,2020年全球单细胞分析市场规模估计为26.8亿美元,预计在2019至2026年以16.9%的年复合增长率增长,国内市场规模预计35亿人民币。强大的市场需求以及市场占有率狭小的局面,对国产单细胞分析仪器的研制和产业化提出了巨大的挑战,同时也带来了前所未有的机遇。

      基于pDEP-RADS技术,单细胞中心推出了国内外首台全谱分选通量达到600个细胞/分钟的高通量流式拉曼分选仪产品样机FlowRACS。FlowRACS具有完全自主的知识产权,已于今年6月份完成了现场技术验收。单细胞中心长期致力于微生物单细胞技术和装备的研制和产业化,前期已经陆续研制成功并产业化临床单细胞拉曼药敏快检仪(CAST-R)、单细胞拉曼分选-测序耦合系统(RACS-Seq)、积木式单细胞微液滴快速显微分选系统(EasySort)等单细胞分析仪器系列产品。做为该仪器系列的最新成员,FlowRACS的研制成功和应用拓展,将为单细胞科学与产业提供一个全新的研究工具,并推动我国细胞科学高端仪器产业的自主创新。

      上述工作由单细胞中心马波研究员和徐健研究员主持完成,并得到了国家合成生物学重点研发计划、国家重大科学仪器研制项目、山东能源研究院、青岛星赛生物科技有限公司等的支持。(文/图 王喜先)

    图1 单细胞中心研制的pDEP-RADS技术及仪器系统

    附录:

      Xixian Wang#, Yi Xin#, Lihui Ren#, Zheng Sun, Pengfei Zhu, Yuetong Ji, Chunyu Li, Jian Xu*, and Bo Ma*, Positive dielectrophoresis based Raman-activated droplet sorting for culture-free and label-free screening of enzyme function in vivo, Sci. Adv, 2020, DOI: 10.1126/sciadv.abb3521

      Yuehui He#, Xixian Wang#, Bo Ma*, Jian Xu*, Ramanome Technology Platform for Label-free Screening and Sorting of Microbial Cell Factories at Single-cell Resolution. Biotechnol. Adv, 2019, DOI: 10.1016/j.biotechadv.2019.04.010.

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