液滴微流控芯片系统中微液滴特性表征及氨基酸检测应用

基于液滴微流控芯片的检测和筛选系统,因其具有通量高、成本低等显著特点,近年来备受关注。该系统生成的微液滴(皮升体积)具有直径均一、大小可控、互不交融(单分散性)等特性,它作为微反应器可以进行微生物及其代谢物包埋实验和高通量检测。因此,研究微液滴的相关特性及其应用具有重要意义。文中在液滴微流控芯片系统搭建的基础上,对重要氨基酸(谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)分别进行了微液滴包埋实验,研究了包埋微液滴的重要特性参数(如稳定性、扩散性等),探索了包埋微液滴对氨基酸检测分选的应用。实验表明,文中搭建的液滴微流控芯片系统可以稳定、均一地生成微液滴,微液滴大小可根据需要控制在2 0-5 0μm之间,微液滴间无交叉污染,包埋氨基酸的微液滴的检测筛选速度大约为每分钟6 0 0个。这个研究为高通量分析和筛选产氨基酸的微生物奠定了基础。     

毕赤酵母液滴微流控高通量筛选方法的建立与应用

巴斯德毕赤酵母是当前应用最为方便和广泛的外源蛋白表达系统之一,为了进一步提高其表达外源蛋白的能力,文中建立了基于液滴微流控的毕赤酵母高通量筛选方法,并以木聚糖酶融合荧光蛋白为例,筛选获得木聚糖酶表达和分泌能力提高的突变株。通过PCR扩增得到木聚糖酶xyn5基因和绿色荧光蛋白gfp基因融合片段,并克隆到毕赤酵母表达载体pPIC9K中构建出木聚糖酶融合绿色荧光蛋白的质粒pPIC9K-xyn5-gfp,电转化至毕赤酵母GS115中得到表达木聚糖酶和绿色荧光蛋白的毕赤酵母SG菌株。该菌株经过常压室温等离子体诱变后进行单细胞液滴包埋,液滴培养24h后进行微流控筛选,获得高表达木聚糖酶的突变菌株,进而用于下一轮的诱变突变库构建和筛选。以此类推,经过5轮液滴微流控筛选,获得一株高产菌株SG-m5,其木聚糖酶活为149.17U/mg,较出发菌株提升300%,分泌外源蛋白的能力较出发菌株提高160%。文中建立的毕赤酵母单细胞液滴微流控高通量筛选方法能达到每小时10万菌株的筛选通量,筛选百万级别的菌株库仅需10h,消耗荧光试剂体积100μL,对比传统的微孔板筛选方法降低试剂成本近百万倍,为高效、低成本筛选获得表达和分泌外源蛋白能力提高的毕赤酵母提供了一条新途径。     

一种基于微芯片快速生成双层乳化液滴的方法

体外区室化(In vitro compartmentalization,IVC)是通过制备微液滴反应小室包裹单个基因(包含表达体系)或细胞进行反应和培养,从而建立表现型与基因型的偶联,并借助流式细胞仪(Fluorescence-activatedcell sorting,FACS)对液滴进行超高通量检测和筛选,进而快速获得目标基因或细胞的一种方法。IVC-FACS筛选方法已被广泛应用于蛋白质工程、酶工程等定向进化研究。但早期利用机械分散法生成的微液滴大小均一性难以控制,严重影响液滴的定量检测,降低了筛选的效率和准确性。随着微流控芯片制备技术的快速发展,在芯片内快速生成微液滴的技术也愈加成熟。本研究首先利用W/O (Water-in-oil)单层液滴生成芯片高速制备单分散的W1/O液滴,再将W1/O液滴重注入W/O/W (Water-in-oil-in-water)双层乳化液滴生成芯片制备均一的W1/O/W2双层乳化液滴。通过对油、水相流速与比值的优化,可以生成直径在15.4–23.2μm的单乳化微液滴,液滴可在培养数天内保持稳定。将单乳化液滴重注入双层乳化液滴芯片,通过调整油相流速,可以获得生成速度在1 000个液滴/s、直径在30–100μm的双层乳化液滴。利用双层乳化液滴包埋的大肠杆菌细胞能正常进行培养和目标蛋白的诱导表达,为后续建立基于液滴和流式细胞仪的菌株高通量筛选方法奠定基础。