作者 | 王喜先

單個細胞是地球上生命體功能和進化的基本單元，蘊藏著生長發(fā)育、衰老死亡、新陳代謝、信號傳導等眾多奧秘。單細胞精度的功能分選是解析每個細胞千差萬別的原因、探索自然界海量陌生細胞（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、突變體庫等）。因此，實現(xiàn)單細胞精度的高通量功能分選至關重要。

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

注：單細胞拉曼光譜（SCRS）能夠在無標記、無損的前提下揭示細胞固有的化學組成。

巧妙的“后液滴包裹”設計

本研究開發(fā)的高通量拉曼激活單細胞液滴分選技術（RADS技術），是一種巧妙的“后液滴包裹”設計，它在微流控芯片的拉曼光譜檢測點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動力的瓶頸問題，實現(xiàn)了基于介電力驅動的高通量分選。這使得從自然界中篩選新型的種子選手，或是從突變體庫中找到更的候選者，都變成現(xiàn)實。這項研究成功地將傳統(tǒng)的“先養(yǎng)再選”思路扭轉成了“先選再養(yǎng)”，避免了傳統(tǒng)分選的涂平板和挑克隆的過程，省去了擴大培養(yǎng)、提取以及定量等繁瑣過程。

與傳統(tǒng)技術相比，RADS技術的優(yōu)勢為：

從篩選到采集，一體化拉曼分析過程
 

接下來我們就來看看整個從篩選到采集的工作是如何進行的。具體來說，如下圖，在微流控芯片中，細胞排著隊（從左向右）一個個經(jīng)過拉曼檢測點（Raman），之后被逐個包裹在液滴（Oil）里面，與此同時計算機對采集到的單細胞拉曼信號進行判別，滿足分選條件的，啟動介電力（Dielectrophoresis），目標細胞將進入分選通道（Collect），而不滿足分選條件的細胞將流入廢液通道（Waste）。

拉曼激活單細胞液滴分選技術

在上述“流程”中的拉曼分析環(huán)節(jié)，研究團隊利用HORIBA HR 800型拉曼光譜儀來采集單細胞拉曼光譜信號，配置EMCCD使得信號強度大幅提升，這對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構，那么本項工作更加重要的“總指揮”則是團隊自主開發(fā)的分析軟件，該軟件將拉曼采集、分析、單細胞液滴包裹及分選過程集成在一起，充分實現(xiàn)了從分選到采集的高度自動一體化。

實踐中的應用

在上述分選技術的基礎上，研究團隊成功完成了大量實踐研究，如高產(chǎn)蝦青素之雨生血球藻的化（分選準確率98.3%）、高通量（260細胞/分鐘）篩選等，并通過實驗發(fā)現(xiàn)并證明，分選后92.7%的雨生血球藻細胞仍可保持活性并可增殖。相信后續(xù)還會有更多令人興奮的實踐研究成果不斷誕生。

本工作在中國科學院青島生物能源與過程所完成，同時得到了中科院武漢水生所胡強研究員、北京大學王瑋教授等的幫助，并得到了中科院儀器專項、國家自然科學基金、中國博士后科學基金和山東省自然科學基金等的支持。相關研究成果以“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，“這是一個多學科交叉共同完成的工作，分析化學、生物化學、電子信息、自動化等背景的同事一起努力，zui終實現(xiàn)多信息獲取下的高通量分選方案。”

團隊介紹

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

zui近，徐健研究員團隊還發(fā)明了基于“拉曼組”的單細胞快檢技術，能夠在單個細胞精度同時測定淀粉、甘油三酯、蛋白質含量以及油脂不飽和度，為細胞工廠的性能測試平臺增添了一個嶄新手段。該工作于11月19日在線發(fā)表于Biotechnology for Biofuels。

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