作者 | 王喜先

單個(gè)細(xì)胞是地球上生命體功能和進(jìn)化的基本單元，蘊(yùn)藏著生長(zhǎng)發(fā)育、衰老死亡、新陳代謝、信號(hào)傳導(dǎo)等眾多奧秘。單細(xì)胞精度的功能分選是解析每個(gè)細(xì)胞千差萬(wàn)別的原因、探索自然界海量陌生細(xì)胞（不可培養(yǎng)微生物）的重要工具，分選通量的提高將幫助研究人員累積更多的研究樣本，拓展更廣的篩選范圍（自然環(huán)境、突變體庫(kù)等）。因此，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞精度的高通量功能分選至關(guān)重要。

zui近，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所傳來(lái)喜訊，該所單細(xì)胞中心馬波研究員與徐健研究員帶領(lǐng)的多學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)，將單細(xì)胞拉曼光譜（SCRS）與液滴微流控技術(shù)耦合，發(fā)明了高通量拉曼激活單細(xì)胞液滴分選技術(shù)（RADS，Raman-activated single-cell Droplet Sorting）。該工作于2017年11月3日在線發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)《Analytical Chemisrtry》。

注：?jiǎn)渭?xì)胞拉曼光譜（SCRS）能夠在無(wú)標(biāo)記、無(wú)損的前提下揭示細(xì)胞固有的化學(xué)組成。

巧妙的“后液滴包裹”設(shè)計(jì)

本研究開發(fā)的高通量拉曼激活單細(xì)胞液滴分選技術(shù)（RADS技術(shù)），是一種巧妙的“后液滴包裹”設(shè)計(jì)，它在微流控芯片的拉曼光譜檢測(cè)點(diǎn)后方引入液滴包裹單元，這樣就克服了制約通量提高的電磁閥作為分選驅(qū)動(dòng)力的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了基于介電力驅(qū)動(dòng)的高通量分選。這使得從自然界中篩選新型的種子選手，或是從突變體庫(kù)中找到更的候選者，都變成現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)研究成功地將傳統(tǒng)的“先養(yǎng)再選”思路扭轉(zhuǎn)成了“先選再養(yǎng)”，避免了傳統(tǒng)分選的涂平板和挑克隆的過程，省去了擴(kuò)大培養(yǎng)、提取以及定量等繁瑣過程。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，RADS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：

從篩選到采集，一體化拉曼分析過程
 

接下來(lái)我們就來(lái)看看整個(gè)從篩選到采集的工作是如何進(jìn)行的。具體來(lái)說，如下圖，在微流控芯片中，細(xì)胞排著隊(duì)（從左向右）一個(gè)個(gè)經(jīng)過拉曼檢測(cè)點(diǎn)（Raman），之后被逐個(gè)包裹在液滴（Oil）里面，與此同時(shí)計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的單細(xì)胞拉曼信號(hào)進(jìn)行判別，滿足分選條件的，啟動(dòng)介電力（Dielectrophoresis），目標(biāo)細(xì)胞將進(jìn)入分選通道（Collect），而不滿足分選條件的細(xì)胞將流入廢液通道（Waste）。

拉曼激活單細(xì)胞液滴分選技術(shù)

在上述“流程”中的拉曼分析環(huán)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)利用HORIBA HR 800型拉曼光譜儀來(lái)采集單細(xì)胞拉曼光譜信號(hào)，配置EMCCD使得信號(hào)強(qiáng)度大幅提升，這對(duì)分選通量提高起到了重要作用。

如果說微流控芯片、拉曼光譜儀及RADS是分析過程的三大核心結(jié)構(gòu)，那么本項(xiàng)工作更加重要的“總指揮”則是團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的分析軟件，該軟件將拉曼采集、分析、單細(xì)胞液滴包裹及分選過程集成在一起，充分實(shí)現(xiàn)了從分選到采集的高度自動(dòng)一體化。

實(shí)踐中的應(yīng)用

在上述分選技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)成功完成了大量實(shí)踐研究，如高產(chǎn)蝦青素之雨生血球藻的化（分選準(zhǔn)確率98.3%）、高通量（260細(xì)胞/分鐘）篩選等，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并證明，分選后92.7%的雨生血球藻細(xì)胞仍可保持活性并可增殖。相信后續(xù)還會(huì)有更多令人興奮的實(shí)踐研究成果不斷誕生。

本工作在中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程所完成，同時(shí)得到了中科院武漢水生所胡強(qiáng)研究員、北京大學(xué)王瑋教授等的幫助，并得到了中科院儀器專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金等的支持。相關(guān)研究成果以“Raman-activated Droplet Sorting (RADS) for Label-free High-throughput Screeningof Microalgal Single-cells.”為題發(fā)表在《Analytical Chemisrtry》上。

后     記

后記

報(bào)道成文過程中，小編有幸采訪到以上研究的作者之一籍月彤老師，她告訴小編，“這是一個(gè)多學(xué)科交叉共同完成的工作，分析化學(xué)、生物化學(xué)、電子信息、自動(dòng)化等背景的同事一起努力，zui終實(shí)現(xiàn)多信息獲取下的高通量分選方案。”

團(tuán)隊(duì)介紹

 中科院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞研究中心（http://www.single-cell。。ｃｎ/）擁有約60人的研發(fā)隊(duì)伍，其核心使命是研制和應(yīng)用示范包括單細(xì)胞拉曼成像、拉曼激活細(xì)胞分選、單細(xì)胞測(cè)序、單細(xì)胞培養(yǎng)等在內(nèi)的新一代單細(xì)胞分析系列儀器，以及元基因組、拉曼組等生物大數(shù)據(jù)軟件，進(jìn)而以微藻合成生物學(xué)、共生菌群與健康、海洋生物資源等為模式研究體系，探討單個(gè)活體細(xì)胞精度的微生物組功能與進(jìn)化機(jī)制。
 

zui近，徐健研究員團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了基于“拉曼組”的單細(xì)胞快檢技術(shù)，能夠在單個(gè)細(xì)胞精度同時(shí)測(cè)定淀粉、甘油三酯、蛋白質(zhì)含量以及油脂不飽和度，為細(xì)胞工廠的性能測(cè)試平臺(tái)增添了一個(gè)嶄新手段。該工作于11月19日在線發(fā)表于Biotechnology for Biofuels。

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