微生物微液滴培养系统：一个微生物自动化、高通量培养和适应性进化的集成平台

       本期为您推荐清华大学化学工程系邢新会教授研究团队发表在《Biotechnology and Bioengineering》上的一篇文章，原文题目为：Microbial microdroplet culture system (MMC): An integrated platform for automated, high-throughput microbial cultivation and adaptive evolution.

文章摘要内容如下：

微生物的培养是微生物学研究的基础，是微生物分离、鉴定、筛选和进化的必要条件。传统的实验室培养方法包括摇瓶、孔板和培养皿，然而这些方法都是典型的劳动密集型，通量低，平行性差，导致效率低下。

目前，对微生物培养系统的小型化和平行化的研究已转变为微型生物反应器的功能研究。随着自动化、模块化的微生物细胞微培养系统的发展，特别是采用液滴微流体的微培养系统，因其高通量、高平行性及高效的培养能力而备受关注。

本研究开发了微生物微液滴培养系统（Microbial Microdroplet Culture system，MMC），它是一个用于微生物自动化高通量培养和微生物适应性进化的集成平台。研究者可在200个2微升的平行液滴中进行自动化，高通量的微生物培养和适应性进化研究。还开发了一种新的样品注射方法，利用定制的试剂瓶，防止其他微生物的污染，且更容易清洗。已证明MMC对于液滴的操作和检测具有准确和可重复性。通过研究比较6种微生物菌株在MMC、摇瓶或孔板中的生长曲线，验证了MMC在微生物细胞培养方面的优越性。6种微生物细胞的最高初生长率是使用MMC获得的。另外在MMC中对一株甲醇利用型大肠杆菌菌株进行了18天的适应性进化，获得了两株比亲本株生长速度更快的菌株。本研究证明了MMC的强大功能，为自动化、高通量微生物培养和适应性进化提供了一种高效、可靠的方法。

文章精彩内容如下：

图1 MMC结构示意图

图2 芯片上液滴操作示意图

(a) 液滴生成：试剂瓶中的细胞悬浮液在“T”口处被来自垂直方向的油相切割形成液滴。(b) 液滴培养：液滴在培养管道中循环往复培养，并在检测部位通过测量OD来实时监测细胞生长。(c) 液滴分割：液滴在“T”口处被油相分割为剩余的液滴和废液滴。(d) 液滴融合：剩余液滴与含有新鲜培养基和化学因子的液滴融合形成新液滴，且新液滴与分裂前液滴体积相同。(e) 液滴分选：选中的液滴会进入微生物培养管道进行培养，未选定的液滴被排到废液瓶中。

图3 MMC接种操作的精确性和稳定性表征

(a) 图示来自七个实验组的不同接种物浓度的测定。每个实验组的接种物浓度设定值分别为13.1%，21.7%，32.0%，41.8%，51.9%，64.8%和75.2%。每个实验组生成50个液滴。图中显示的每个液滴与设定值的偏离程度表明了MMC接种操作的精确性。(b) (a)中每个实验组中50个液滴接种物浓度的变异系数。变异系数范围为2.17% ~ 5.00%，说明MMC的接种操作十分稳定。 

表1 比较六个菌株在稳定期的最大生长速率和OD600

由表1可以看出，与摇瓶或孔板培养相比，在MMC培养的所有微生物细胞在相同的培养时间内均可达到更高的OD600值。这说明在MMC中培养的微生物菌株具有较高的初始生长速率或较短的滞后期。液滴培养系统具有较大的比表面积，具有较高的传质速率，这使得与其他培养系统相比，可以快速进行气体交换，从而提供更多的氧气来支持微生物细胞的生长，同时快速去除细胞内的二氧化碳。

图5 MMC中MeSV2.2菌株的适应性进化结果

(a) MeSV2.2 菌株连续传代培养的生长曲线：在整个过程中，每次传代培养过程中菌株生长曲线的最高点先下降后上升，在图中形成了谷和峰的形状。

(b) 两种筛选到的菌株与初始菌株的比较：对于第6号液滴和第14号液滴，无论是在摇瓶中培养还是在MMC中培养，液滴中的菌株相比初始菌株都有更高的生长速率和更高的平台期。