簡單高效的目標液滴導出是制約靜態液滴陣列（SDA）廣泛應用于高通量篩選的主要瓶頸問題。近日，青島能源所單細胞中心與青島星賽生物合作發明了基于光學的目標液滴釋放系統（OODR），實現了SDA中目標液滴的選擇性導出，并示范了微生物單細胞在線培養及目標單液滴分選耦合測序/培養的流程，為微生物資源的挖掘提供了創新手段。該研究成果在線發表于生物技術與生物傳感器領域的核心期刊 Biosensors and Bioelectronics《生物傳感器和生物電子學》。
目標液滴釋放系統OODR服務微生物單細胞在線培養及目標單液滴分選耦合測序/培養
液滴微流控技術具有樣品和試劑消耗量少、自動化、高通量和精確操控等優勢，推動了高通量篩選和測序領域的重大突破。目前液滴微流控技術可分為動態系統和靜態系統兩類。其中動態系統的代表——熒光激活液滴分選技術，無法對單個液滴進行長時間觀察，因此無法滿足動態監測類分析的需要，如觀察單個細胞形態變化或細胞間相互作用等。而SDA技術可以將液滴“困”在微孔或微腔中以實現長時間觀察，是應對上述挑戰的有效解決方案。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技術的廣泛應用。
針對上述SDA中目標液滴快速提取和收集的瓶頸問題，單細胞中心刁志鈿博士和王喜先副研究員帶領的研究小組，基于青島星賽生物的單細胞微液滴分選儀EasySort Compact，發明了基于光學的OODR，實現了對含有獨特分析物或細胞的目標液滴的選擇性獲取。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）導電玻璃作為光響應層，與具有微腔室陣列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）層結合，可以快速創建SDA；其次，通過多次優化，研究人員將1064 nm激光聚焦到ITO層的目標位置，可以利用激光的光熱效應產生微氣泡，從而選擇性地將目標液滴從腔室中推出；最后，腔室中釋放的液滴在直通道內流體的驅動下進入出樣口，研究人員可以借助移液器槍頭利用固有的毛細力以單管單液滴的方式收集目標液滴，并直接開展下游的測序/培養實驗。
研究結果證明，上述系統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/多細胞液滴，表明了系統的廣譜適用性。最后，以單管單液滴的方式收集的目標液滴，其內的細胞均可成功培養，一方面驗證了上述系統對細胞活力的影響較小，另一方面也證明了OODR系統與下游生化分析無縫耦合的可行性。
OODR系統在EasySort Compact的基礎上，耦合了具有光響應層的微流控芯片，使得1064 nm激光不僅可以操控單個細胞，還可以操控單個液滴。OODR系統的開發拓展了EasySort系列儀器的應用方向，在合成生物學菌株高通量篩選、微生物資源挖掘等領域展現出巨大的應用潛力。下一步，研究人員計劃引入人工智能算法及自動化控制，進一步提高系統的智能化和自動化水平，減輕人力負擔，提高工作效率。
該工作由單細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計劃、國家自然科學基金委、山東省重大科技創新計劃項目、國家合成生物學技術創新中心項目、中國科學院青年創新促進會的資助。
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.
