基于微流控液滴的放线菌高通量筛选培养和分离

Actinomycetes are very important microbial resources which produce natural active products, and about 75% of antibiotics are produced by the actinomycetes. While it is generally assumed that more than 99% of Actinomycetes species have not been cultivated so far, classic screening approaches fail to supply new substances, often due to limited throughput and frequent rediscovery of already known strains. To overcome these restrictions, we introduce high-throughput microfluidics droplets to the cultivation of Actinomycetes. Firstly, we obtain the high-throughput pL-droplets from a spore suspension that can subsequently be incubated for days to weeks. Moreover, we introduce triggered imaging with real-time image-based droplet classification as a novel universal method for pL-droplet sorting. Growth-dependent droplet sorting at high frequencies is performed for label-free enrichment and extraction of microcultures. The combination of both cultivation of Actinomycetes pL-droplets and real-time detection of growing Actinomycetes has great potential in screening for yet unknown species as well as their undiscovered natural products.

放线菌是一类产生丰富天然活性物质的重要微生物资源，目前约75%的抗生素是由放线菌产生的。但迄今为止，专家普遍认为99%以上的放线菌还没有被成功分离培养，传统的技术也不能很好地筛选出新的天然产物，这主要是因为目前的筛选技术通量有限且常常分离培养出已知的菌株。为了克服这些缺陷，本项目拟引入近年发展起来的高通量微流控液滴技术到放线菌的培养和分离中，主要包括高通量地将放线菌孢子悬浮液形成包裹单个孢子的微流控液滴、利用微液滴混合技术高通量地筛选培养条件、通过微流控芯片实时成像检测触发放线菌的无标记高通量分选，实现放线菌的快速分离。本项目的研究目标是将微流控液滴作为放线菌的理想培养器，发展出高通量的放线菌的培养和筛选平台，发现新的稀有放线菌，为新型天然产物的发掘奠定基础。

细菌的代谢可以产生许多活性物质，比如抗生素、维生素、细菌素、毒素、色素以及各种代谢小分子，它们是非常重要的天然产物资源。发现新的生物活性分子以及研究它们的作用机理对于疾病的发生发展及其治疗具有重要的医学应用价值。但是目前传统的平板培养分离的研究方法具有通量低、试剂消耗大，不能进行细菌和动物细胞共培养等缺陷，极大地限制了细菌代谢的研究。微流控是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，具有体积小、消耗低、装置小等特点，可以实现微型化、集成化和自动化的高通量分析。本课题首先以放线菌为研究对象，开发了放线菌单个孢子包裹微流控液滴高通量形成芯片，在微流控液滴中进行放线菌孢子的萌发和培养，并通过荧光激活液滴分选（Fluorescence-activated droplet sorting, FADS）系统对放线菌进行高通量分选，实现放线菌的快速分离。为了能更好地研究细菌代谢活性小分子，我们又开发了一个细菌细胞与肠道细胞共培养的芯片模型，这个体外模型可以很好地模拟肠道细胞的结构、吸收、运输、病理生理特征以及与关键微生物的共生。本项目开发出的两种芯片对活性天然产物的发现筛选以及药物代谢、肠道微生物代谢疾病等方面具有重要意义。