大同熒光液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)

液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)能夠用于從頭理性設(shè)計和構(gòu)建人工合成微生物群落。研究人員可以按照預(yù)設(shè)的物種比例與空間排列，將不同代謝功能分工的工程菌株精確地共封裝在液滴中，形成一個簡化的、可控的合成生態(tài)系統(tǒng)。通過設(shè)計菌株間的代謝互養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)，并利用液滴系統(tǒng)高通量地優(yōu)化菌株組合、比例及環(huán)境參數(shù)，可以創(chuàng)建出高效協(xié)同、穩(wěn)健性強(qiáng)的生物制造系統(tǒng)，實現(xiàn)比單一菌株更為復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)合成與降解任務(wù)，為環(huán)境修復(fù)、綠色化工及智能療法開發(fā)開辟了新路徑。通過集成溫控模塊，系統(tǒng)可實現(xiàn)溫度敏感型微生物的精確培養(yǎng)與篩選。大同熒光液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)

在環(huán)境微生物學(xué)研究中，液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)為探索“微生物暗物質(zhì)”——即那些無法通過傳統(tǒng)實驗室方法培養(yǎng)的絕大多數(shù)微生物——提供了解決方案。該系統(tǒng)通過將環(huán)境樣本進(jìn)行高度稀釋與微流控封裝，使單個微生物細(xì)胞被隔離在單獨(dú)的液滴微環(huán)境中。這種物理隔離有效避免了快速生長菌株的資源競爭壓制，同時，微小的液滴體積使得微生物自身分泌的信號分子能夠快速達(dá)到局部有效濃度，從而可能刺激其在自然狀態(tài)下所依賴的群體感應(yīng)系統(tǒng)。這種仿生策略成功誘導(dǎo)了大量此前未被培養(yǎng)的微生物進(jìn)行增殖，極大地擴(kuò)展了人類可培養(yǎng)微生物的資源庫，為深入理解全球生態(tài)系統(tǒng)的微生物驅(qū)動機(jī)制奠定了堅實基礎(chǔ)。大同熒光液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)在生物能源領(lǐng)域，該技術(shù)用于快速進(jìn)化能高效生產(chǎn)生物燃料的工程微藻。

對于組織樣本等具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的生物學(xué)材料，液滴培養(yǎng)組學(xué)技術(shù)可以輔助進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的樣本預(yù)處理與條形碼標(biāo)記。通過將組織消化后獲得的單細(xì)胞或細(xì)胞核懸液與帶有對應(yīng)空間位置編碼序列的微珠共同封裝在液滴中，在液滴內(nèi)完成mRNA的捕獲并被打上位置標(biāo)簽，從而在后續(xù)的單細(xì)胞測序中保留細(xì)胞原始的空間位置信息。雖然這只是液滴技術(shù)作為分子生物學(xué)工具的一個應(yīng)用側(cè)面，但它深刻體現(xiàn)了該技術(shù)在整合細(xì)胞表型與空間位置等多維度信息方面的靈活性與強(qiáng)大潛力。

    在代謝產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)與作用機(jī)制研究這一傳統(tǒng)領(lǐng)域，液滴培養(yǎng)組學(xué)帶來了顛覆性的創(chuàng)新思路。面對病原微生物耐藥性日益嚴(yán)峻的全球挑戰(zhàn)，從復(fù)雜環(huán)境樣本或合成化合物庫中快速篩選新型代謝產(chǎn)物變得至關(guān)重要。液滴系統(tǒng)通過將單個環(huán)境微生物（如土壤細(xì)菌）與報告病原菌共同包裹在微滴中，構(gòu)建了海量的“生產(chǎn)者-指示者”對。在共培養(yǎng)過程中，如果生產(chǎn)者菌株能夠分泌抑制或殺死報告病原菌的活性物質(zhì)，其所在的微滴便會通過報告菌的熒光減弱或形態(tài)變化等讀出信號被識別。隨后，這些“命中”的液滴可以被分選出來，用于活性化合物的分離與鑒定。這種基于共培養(yǎng)的策略，不僅顯著提高了篩選通量、降低了試劑消耗，更重要的是它能夠直接挖掘微生物之間在自然狀態(tài)下存在的拮抗相互作用，更容易發(fā)現(xiàn)具有新穎結(jié)構(gòu)或作用機(jī)制的活性先導(dǎo)化合物。此外，該系統(tǒng)同樣適用于研究代謝產(chǎn)物對病原菌的作用機(jī)理：將藥物與單個細(xì)菌包裹，通過長時間活細(xì)胞成像，可以在單細(xì)胞水平精確觀察藥物誘導(dǎo)的形態(tài)變化、生長抑制或殺滅動力學(xué)，揭示異質(zhì)性的耐藥應(yīng)答，為理解耐藥性產(chǎn)生機(jī)制和開發(fā)聯(lián)合用藥策略提供寶貴的動態(tài)數(shù)據(jù)。 通過時間分辨的液滴分析，可以繪制出單細(xì)胞水平的基因表達(dá)動態(tài)圖譜。

該系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)的局限，通過單細(xì)胞封裝技術(shù)有效消除種間競爭與生長速率差異的干擾，成為稀有及難培養(yǎng)微生物分離的關(guān)鍵工具。在土壤微生物分離實驗中，利用天木生物 MISS cell 系統(tǒng)對 60882 個液滴進(jìn)行培養(yǎng)分選，成功獲得 5628 個帶菌液滴，鑒定出 86 種微生物，較傳統(tǒng)平板培養(yǎng)的 73 種高出 17.8%，其中包含布魯氏菌、缺陷短波單胞菌等 50 多種平板無法培養(yǎng)的菌株。微流控平板劃線（MSP）技術(shù)進(jìn)一步提升了分離效率，其生成的液滴陣列不僅支持顯微鏡實時觀察，還能將培養(yǎng)時間從傳統(tǒng)平板的 16 小時縮短至 12 小時，同時使單菌落測序雜合峰比例保持在 4.35% 的高質(zhì)量水平，與平板培養(yǎng)結(jié)果基本一致。這種技術(shù)突破使環(huán)境中 99% 以上的 "不可培養(yǎng)微生物" 成為可研究對象。液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)以皮升 / 微升級液滴為單元，為單細(xì)胞或單菌提供單獨(dú)、隔離的培養(yǎng)微環(huán)境。大同熒光液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)

液滴培養(yǎng)極大地提高了通量，使在單細(xì)胞水平進(jìn)行數(shù)百萬次平行實驗成為可能。大同熒光液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)

    環(huán)境中微生物之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜，深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性。液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)以其獨(dú)特的隔離和并行分析能力，成為解析這種復(fù)雜互作關(guān)系的理想工具。研究人員可以精確控制地將兩種或多種不同的微生物按照特定比例封裝在同一個液滴中，從而構(gòu)建一個簡化的、定義明確的微生物群落。通過監(jiān)測這些共培養(yǎng)液滴中微生物群體的生長動力學(xué)（例如通過熒光標(biāo)記），可以定量地揭示物種間的互作關(guān)系，是互利共生、競爭、拮抗還是捕食。例如，將一種能夠降解復(fù)雜多糖的細(xì)菌與一種無法降解該多糖但能利用其單糖產(chǎn)物的細(xì)菌共封裝，可以研究它們之間的營養(yǎng)共生關(guān)系。液滴的封閉環(huán)境確保了代謝物的交換被限制在內(nèi)部，使得這種互作效應(yīng)更加清晰可辨。此外，該系統(tǒng)可以用于研究***的產(chǎn)生及其效應(yīng)。將一種疑似***生產(chǎn)者與一種敏感的指示菌共封裝，可以通過觀察指示菌的生長抑制來直接證實***的產(chǎn)生及其效力。這種高通量的共培養(yǎng)策略，使我們能夠從海量的環(huán)境微生物中系統(tǒng)地繪制出互作網(wǎng)絡(luò)圖譜，識別出關(guān)鍵物種和功能模塊。這不僅對于理解自然生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的組裝規(guī)則和穩(wěn)定性機(jī)制具有重要理論意義，也為設(shè)計和構(gòu)建具有特定功能。 大同熒光液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)

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