Учёные представили сортировщик клеток, активируемый рамановским излучением, для высокопроизводительного поиска ферментов

Открытие и поиск ферментов, например, производящих масла или фиксирующих углекислый газ, — ключевая задача биотехнологической индустрии, но этот процесс часто бывает медленным и трудоёмким.

Чтобы решить эту проблему, китайские учёные разработали проточный рамановский активируемый сортировщик клеток (RACS) под названием FlowRACS. Он позволяет с высокой производительностью обнаруживать ферменты и их клеточные фабрики с точностью до одной микробной клетки. Исследование опубликовано в Science Advances 7 августа.

Поиск полезных ферментов и продуцирующих их микробных клеток продолжается почти век, но он затруднён из-за крошечного размера микробов (в 1000 раз меньше человеческой клетки). Кроме того, большинство микробных клеток нельзя легко культивировать, из-за чего микробиологи называют их «биологической тёмной материей».

Учёные из Центра единичных клеток Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессных технологий (QIBEBT) Китайской академии наук (CAS) представили новый прибор FlowRACS. Это проточный рамановский активируемый сортировщик клеток, который сортирует микробные клетки и производимые ими ферменты на основе спектра единичной клетки и с высокой производительностью.

Рамановские спектры единичной клетки могут раскрыть её метаболическую функцию (например, тип производимых масел или скорость фиксации CO₂), не разрушая клетку. На основе этих сигналов клетки сортируются в RACS. Проточный режим (flow-mode) значительно ускоряет сортировку, но сложен из-за малого размера клеток и слабого рамановского сигнала.

Для улучшения процесса исследователи применили положительную диэлектрофорезную ловушку (pDEP), которая может захватывать или перемещать частицы. Это позволяет:

1. Ловить быстро движущиеся микробные клетки.
2. Точное и быстрое проведение их через точку рамановской детекции для распознавания клеток, производящих целевые ферменты или метаболиты.
3. Помещение клеток в капли, которые затем сортируются.

В этом методе pDEP-RADS клетки не требуют культивирования, мечения или инвазивного воздействия для быстрой сортировки и идентификации.

Диацилглицеролацилтрансферазы (DGAT) — это ферменты, производящие триацилглицеролы (TAG), основной компонент жиров человека, животных и растительных масел. Традиционный скрининг DGAT крайне трудоёмок: культивирование клеток и последующий анализ состава масел могут занимать дни для каждого образца.

С помощью FlowRACS учёные проанализировали дрожжи, экспрессирующие кандидаты в DGAT, на содержание и профиль TAG со скоростью около 120 клеток в минуту (эквивалентно 120 традиционным «образцам» в минуту). Они также сортировали клетки по степени ненасыщенности — ключевой характеристике TAG, определяющей его питательную ценность, — с точностью около 82% и скоростью 40 клеток в минуту.

Один 10-минутный запуск FlowRACS выявил все ранее описанные варианты DGAT. Для сравнения, обнаружение и характеристика этих ферментов культуральными методами заняли бы месяцы, а флуоресцентно-активированная сортировка клеток (FACS) могла бы оказаться невозможной из-за недостаточной чувствительности.

«Такая свободная от культивирования, мечения и неинвазивная сортировка ферментативной активности in vivo может сэкономить время, расходные материалы и трудозатраты на один-два порядка по сравнению с обычными подходами», — говорит доктор Ван Сисянь, первый автор статьи.

«Насколько нам известно, это первая демонстрация RACS для открытия ферментов, — добавляет профессор Сюй Цзянь, директор Центра единичных клеток. — Появление FlowRACS значительно расширяет область применения RACS. Теперь у научного сообщества есть новый инструмент для открытия и изучения «биологической тёмной материи» — не только клеток, но и ферментов».