Small:激光与微液滴的碰撞——高覆盖度的单细胞拉曼分选-测序技术RAGE-Seq

单细胞中心研制的RAGE-Seq技术及仪器系统

“佛观一钵水,四万八千虫”,自然界中的微生物无处不在。作为地球上最古老的生命形式,微生物分布广泛且生物量巨大,其集合——微生物组(又称菌群,是特定环境中的全部微生物及其遗传信息)是整个地球生态系统的“基石”之一,是地球上能量与元素循环的主要载体。作为尚未被充分认识的复杂生物系统,微生物组与当前人类面临的重大问题,包括疾病流行、生态恶化、气候变化等息息相关。全面、完整地解析微生物组结构和功能将为解决人类社会面临的健康、农业和环境等重大问题提供革命性的新思路。

自然界中绝大多数的微生物难以培养,其特征从未被描述因而被称为“微生物暗物质”,深度认识并挖掘这些微生物暗物质资源不仅服务微生物组结构和功能的研究,同时将为功能基因、种质资源、次生代谢产物(如药物)等的挖掘提供强大的资源库。但是,微生物的“难以培养”,“原位功能难以测量”,“细胞间异质性”等问题很大程度上限制了人们探索微生物世界的脚步,亟需新一代单细胞技术的革新来突破发展瓶颈。

青岛能源所单细胞中心联用光镊及微流控液滴技术发明了一种在液相环境中测量和分选菌群中目标微生物单细胞的拉曼分选-测序耦合技术RAGE-Seq。该技术能够将特定拉曼表型的细菌单细胞从群体中精准分离,并包裹到皮升级液滴中,然后采用宏观移液的方式便可将包裹有目标细胞的液滴导出转移到试管中,从而快速、精确、简便地实现“单个细胞-单个液滴-单个试管”的拉曼分选流程,可直接耦合下游细胞培养或基因组分析。值得说明的是,RAGE-Seq解决了现有光镊单细胞分选的三个核心问题:首先,微生物单细胞始终包裹于水相环境中,降低了激光对于细胞的损伤;其次,分离的单细胞液滴经简单震荡可转变成乳化扩增体系,大幅度降低了传统单细胞基因扩增(如单细胞MDA)中存在的偏好性,从而可从一个细胞得到近乎完整的全基因组信息;再次,其独特的单液滴分选转移形式,有效解决了单细胞分析中常见的污染问题。

结合单细胞中心前期发明的重水孵育单细胞拉曼药敏快检技术(DOI:10.1021/acs.analchem.6b05051),研究人员用RAGE-Seq从临床尿液样本中直接识别和分选出耐受特定抗生素的临床大肠杆菌,并进行了精确到一个细胞的全基因组测序,覆盖度可达99.5%。单细胞层面上基因信息的高覆盖度使基因组上所有耐药基因突变均得以全面、精确地揭示,为临床耐药菌识别、耐药性分析、耐药机制研究提供了崭新的思路。基于RAGE-Seq技术,单细胞中心推出了临床单细胞拉曼药敏快检仪CAST-R,以及和现有荧光/明场显微镜耦合的模块式单细胞微液滴分离系统EasySort。这些原创的系列仪器正在服务各种场景下的单细胞功能分选与测序。

研究者相信,RAGE-Seq从菌群中直接、精准地获取一个细菌细胞的表型及其完整基因组的独特能力,将带来临床感染诊断和用药,耐药性传播监控与机制,土壤、海洋生态监控与资源挖掘等领域的一系列突破。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202001172)。