微生物單細胞研究進行時｜顯微光鑷技術助力“一菌一基因組”

2025-07-04 11:45:18 27閱讀次數

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微生物基因組研究正從群體分析走向單細胞解析。傳統方法以整體樣本提取為主，難以揭示微生物個體之間的差異，尤其對低豐度、未培養或異質性顯著的菌株識別效果有限。為推動對微生物個體的深入解析，團隊基于Scatcher 單細胞顯微光鑷操縱與分選儀，建立了完整的單細胞分選與擴增流程，實現了對目標微生物的精準獲取與全基因組擴增。

光鑷技術可利用激光實現非接觸、無標記、實時可視的單細胞操控，尤其適合微生物單細胞的精細操作。結合微流控芯片，能夠高效完成單個微生物的識別與轉移，推動微生物研究更進一步。在基因組擴增階段，MDA（Multiple Displacement Amplification，多重置換擴增）技術利用 Phi29 DNA 聚合酶與隨機引物，可在等溫條件下對基因組進行高保真、高產量、均勻覆蓋的擴增，已成為單細胞全基因組擴增的常用方法。

DropFlex微液滴光鑷芯片抽真空處理

· 樣品加載至芯片樣品池

光鑷單細胞分選

· 沖洗芯片通道，生成油包水液滴

· 光鑷抓取單細胞 →分離至PCR管中

全基因組擴增(MDA)

· 制備擴增體系

· 多步反應完成DNA擴增

PCR驗證

· MDA產物稀釋

· 16SrRNAPCR驗證

2. 結果

Scatcher 單細胞顯微光鑷操縱與分選

借助Scatcher，光鑷能精準捕獲單個目標細胞，使其按設定路線移至出口，生成液滴后流入 PCR 管，為后續單細胞 MDA 擴增提供樣本。

圖2 光鑷捕獲釀酒酵母單細胞并實現分選

（A）光鑷捕獲釀酒酵母單細胞；（B）光鑷操縱釀酒酵母單細胞進入分選流道；（C）生成包含釀酒酵母單細胞的微液滴

MDA 擴增及 PCR 產物測序鑒定

單個微生物細胞基因組量少，無法滿足測序上機要求。MDA 技術利用隨機六聚體引物和 phi29 DNA 聚合酶在恒溫下反應，高效擴增基因組。擴增后的 MDA 產物稀釋 100 倍進行 16s rRNA/18s rRNA PCR 驗證，經電泳篩選出成功擴增的樣本，測序并通過 Blast 比對，確定產物分別為大腸桿菌和釀酒酵母，且無其他細胞污染。

圖3 16s rRNA/18s rRNA PCR產物電泳圖及Blast結果

#03

小結

該方案展示了無需傳統培養手段，即可對復雜樣本中目標微生物個體實現“一菌一基因組”的研究路徑，突破了微生物生態學中“不可培養”這一長期難題。

Scatcher 單細胞顯微光鑷操縱與分選儀的高精度、無損操作與平臺集成特性，為開展微生物多樣性、進化、代謝機制等研究提供了強有力的技術支撐，推動微生物組研究從“群體平均”邁向“個體分辨”。

參考文獻：

[1]Keloth A , Anderson O , Risbridger D ,et al.Single Cell Isolation Using Optical Tweezers[J].Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2018(9).

[2]Liu B , Liu K , Wang N ,et al. Laser tweezers Raman spectroscopy combined with deep learning to classify marine bacteria[J].Talanta: The International Journal of Pure and Applied Analytical Chemistry, 2022:244.