天津工業生物所開發基於液滴微流控的鏈黴菌高通量篩選科技平臺

鏈黴菌是重要的工業微生物,可以生產蛋白、小分子藥物等許多高附加值產品。工業生產中常用隨機誘變手段產生大量的鏈黴菌突變庫,但缺乏與之相適配的高通量篩選手段用以獲得目標突變株。中國科學院天津工業生物技術研究所王猛研究員帶領的高通量編輯與篩選平臺實驗室開發了基於液滴微流控的鏈黴菌高通量篩選科技。

鏈黴菌是重要的工業微生物,可以生產蛋白、小分子藥物等許多高附加值產品。工業生產中常用隨機誘變手段產生大量的鏈黴菌突變庫,但缺乏與之相適配的高通量篩選手段用以獲得目標突變株。已報導的基於流式細胞分選的方法只能對鏈黴菌的原生質體或孢子進行篩選,由於抗生素等次級代謝產物多產生於菌絲發酵的平臺期,所以原生質體或孢子都無法代表鏈黴菌的真實發酵狀態,並不適合次級代謝產物的篩選;此外流式細胞儀也無法篩選胞外產物訊號,囙此開發鏈黴菌高效培養、檢測和分選的高通量篩選科技具有重要意義。

中國科學院天津工業生物技術研究所王猛研究員帶領的高通量編輯與篩選平臺實驗室開發了基於液滴微流控的鏈黴菌高通量篩選科技。研究人員通過對鏈黴菌孢子液滴包埋參數,以及菌株液滴分選參數的調整與優化使鏈黴菌高通量篩選科技的檢測分選速度達到約每小時1萬個菌株,人工混庫的單輪分選富集率超過330倍。團隊運用該科技在啟動子强度分析、啟動子改造、分泌蛋白表達等方面進行了測試應用,對數十種內源和异源啟動子分析結果表明,液滴微流控科技測定的啟動子表達强度訊號與傳統的酶標板和顯微鏡螢光測定結果一致;從弱啟動子ermE*p和强啟動子gapdh(EL)p出發的啟動子改造結果表明,採用液滴微流控篩選科技可以梯度改變啟動子强度,有效獲得啟動子增强或减弱的突變體,充實元件庫用於後續的代謝工程改造,基於弱啟動子ermE*p改造及篩選,獲得相比野生型强度為133.5%、343.2%和347.9%的突變體;基於强啟動子gapdh(EL)p改造及篩選,獲得强度為野生型10.1%、24.7%和94.6%的突變體;針對鏈黴菌胞外產物纖維素酶,應用液滴微流控科技快速從隨機突變庫中篩選獲得纖維素酶產量分別為出發菌株169.2%至211.4%的多個高產菌株。

此外,研究表明鏈黴菌從孢子出發可以在液滴中穩定培養7天以上,完成萌發、分化、進行各種生物合成直至走向衰亡的完整生命週期。這一特性使得開發的基於液滴微流控的鏈黴菌高通量篩選平臺不僅可以用於菌體生長早期對於啟動子等調控元件的篩選,也可以用於生長中期對於胞內、胞外目標蛋白的篩選,而且在次級代謝產物如抗生素等篩選方面具有巨大的應用前景。

團隊應邀撰寫了相關部落格發表在Nature Portfolio Bioengineering Community的Behind the paper專欄(https://bioengineeringcommunity.nature.com/posts/compatibility-of-filamentous-microorganisms-and-droplet-based-microfluidic-platform),從形態學的角度討論了液滴微流控篩選方法與絲狀微生物的適配性,為此平臺在更多絲狀微生物改造和篩選方面的應用提供了新的思路。

該研究得到國家重點研發計畫、國家自然科學基金、中國科學院重點專案以及天津市合成生物技術創新能力提升行動的支持,相關研究結果已在Communications Biology上發表。天津工業生物技術研究所副研究員塗然和助理研究員張玥為論文的共同第一作者,王猛為論文的通訊作者。

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基於液滴微流的鏈黴菌高通量篩選科技示意圖

不同啟動子的强度分析比較圖:(a)酶標儀(b)液滴微流控(c)螢光顯微鏡

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本文標題: 天津工業生物所開發基於液滴微流控的鏈黴菌高通量篩選科技平臺
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656061219814772
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