單細胞基因組測序是生命科學與生物技術的共性使能技術之一，但其推廣應用卻面臨著諸多瓶頸。一方面，單個細胞的核酸含量極低，為滿足測序所需核酸量通常須大幅增加擴增循環數，這將極度放大基因組DNA擴增的偏好性，從而大幅度降低單細胞全基因組覆蓋率；同時，單細胞的分離獲取、裂解、擴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，青島能源所單細胞中心開發了一種模塊式的可尋址動態液滴陣列平臺（aDDA）。該平臺能快速分離獲取單細胞，并批量完成單細胞裂解、高覆蓋度核酸擴增和產物回收，為單細胞全基因組測序樣品制備提供了一種創新的全集成技術，該研究于7月23日發表于Small。
模塊式可尋址動態液滴陣列平臺
單細胞基因組測序樣品制備需要整合不同的功能單元，以完成一個復雜、多步的完整實驗過程。支撐這一過程的液滴微流控技術，一方面在液滴操控上需要“靜”，以利于單細胞液滴的鑒別和追蹤，從而提高單細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，從而快速實現連續多步反應。然而，現有的“連續流動”和“靜態模式”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，單細胞中心李春宇副研究員提出了一種動態液滴操控新方法，可在“動”與“靜”的完美結合中準確地鑒別和追蹤包裹單細胞的液滴，同時精準可控地向靜態液滴中添加試劑，以啟動核酸擴增反應。依托這一關鍵技術，研究人員進一步構建了名為aDDA的模塊式集成化可尋址動態液滴陣列，實現了單細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：
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計，實現了單細胞分離、細胞裂解、擴增試劑添加、在線預擴增以及擴增產物回收等環節的在線化與集成化。
第二，高可信度。通過“可尋址”的微腔室設計，結合“動靜結合”的單細胞微液滴操作，實現了單細胞核酸樣品制備各環節的可控制、可追蹤、可驗證，從而確保了操作的準確性。
第三，高覆蓋度?；谇捌陂_發的“微液滴單細胞精確包裹”技術，將通常的微升級MDA擴增體積大幅縮小到亞納升級（三個數量級的壓縮），從而大幅度降低基因組擴增的偏好性、提高基因組的覆蓋率。相比于20 L的擴增體系，基于aDDA（300 pL擴增體系）能將酵母單細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研制全自動單細胞基因組測序樣本制備儀。該儀器將作為下游環節，和單細胞中心研制的CAST-R、RACS-Seq、FlowRACS、EasySort Lego/Compact等單細胞拉曼系列儀器系統對接，針對微生物組、突變體庫、人體組織等復雜細胞樣品，服務從單細胞代謝表型組到相應基因組的高通量解析。
該工作由青島能源所單細胞中心馬波研究員主持完成，獲得了國家自然科學基金委、中國科學技術部、中國科學院等的支持。
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
