Платформа для сортировки одиночных клеток ускоряет открытие ценных микроорганизмов с месяцев до дней

Китайские исследователи разработали передовую высокопроизводительную платформу для сортировки одиночных клеток, которая позволяет напрямую выделять живые клетки с целевыми метаболическими профилями из больших библиотек мутантов.

Технология, коммерциализированная как FlowRACS 3.0, радикально сокращает традиционно трудоемкий процесс скрининга колония за колонией для идентификации ценных микробных штаммов. То, что раньше занимало месяцы или даже годы, теперь можно сделать за часы или дни.

Исследование было проведено под руководством профессоров Ма Бо, Сюй Цзянь и Фэн Инган из Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессных технологий (QIBEBT) Китайской академии наук и недавно опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Прорывной процесс — сортировка клеток, активированная методом Рамана на основе детерминированного латерального смещения, индуцированного положительной диэлектрофорезом (pDEP-DLD-RACS) — использует Рамановскую спектроскопию для неинвазивного, безындикаторного и высокопроизводительного анализа метаболических признаков сотен одиночных клеток в минуту. Это позволяет в реальном времени идентифицировать и извлекать клетки с различным метаболизмом без необходимости окрашивания или ущерба для жизнеспособности клеток.

Платформа pDEP-DLD-RACS объединяет три ключевых преимущества: высокую достоверность сигнала для извлечения широкого спектра клеточных метаболических фенотипов, высокую скорость сортировки — до 600 событий в минуту, и надежную стабильность работы, позволяющую непрерывную работу более 10 часов.

Благодаря интеграции широких микрофлюидных каналов, точного диэлектрофоретического контроля и оптимизированного Рамановского детектирования, система эффективно выделяет редкие клетки из генетически разнородных популяций, сохраняя высокий уровень жизнеспособности клеток.

Чтобы продемонстрировать промышленный потенциал, исследователи применили pDEP-DLD-RACS к библиотеке случайного мутагенеза полного генома Aurantiochytrium sp., микроорганизма, критически важного для производства докозагексаеновой кислоты (DHA). За два дня платформа проанализировала более 250 000 клеток и выделила мутантный штамм, который производит на 58% больше DHA, чем дикий тип.

Этот штамм также показал на 34% более высокое содержание липидов и на 21% более высокую чистоту DHA — ключевые показатели для индустрии DHA — по сравнению с исходным штаммом. Для сравнения, предыдущий ведущий штамм команды потребовал годы традиционного колониевого скрининга для разработки.

«Эта платформа переопределяет микробный скрининг, переходя от зависимости от флуоресцентных маркеров или длительного культивирования к химическому фенотипированию в реальном времени», — сказал профессор Фэн. — «Это похоже на использование метаболического "отпечатка пальца" для мгновенной идентификации наиболее эффективных клеток».

Профессор Ма добавил: «Эта работа знаменует собой веху в фенотипическом скрининге живых клеток, демонстрируя, что Рамановская проточная цитометрия может перейти от фундаментальных исследований к практическому инструменту для промышленной оптимизации штаммов в биотехнологии».

Транскриптомный анализ высокопроизводительного мутанта выявил комплексную метаболическую перестройку, включая усиленный поток углерода в синтез липидов и смещенный редокс-баланс в пользу производства полиненасыщенных жирных кислот. Эти результаты подтверждают точность скрининга pDEP-DLD-RACS и предоставляют дорожную карту для будущего метаболического инжиниринга.

«Это больше, чем инструмент для сортировки, это двигатель для открытия "живых драгоценностей"», — сказал профессор Сюй. — «Его способность сохранять жизнеспособность клеток при быстром и экономически эффективном отборе по сложным метаболическим признакам делает его идеальным инструментом для экологического мониторинга и поиска функциональных клеток в различных средах — от промышленных биореакторов до океанов и систем здравоохранения».

Интегрируя микрофлюидику, диэлектрофорез и Рамановскую спектроскопию, исследование решает давние узкие места в биотехнологическом скрининге, прокладывая путь к более быстрой разработке микробных клеточных фабрик и инновационным применениям в синтетической биологии, фармацевтике и науках об окружающей среде.