이 프로토콜은 산업 미생물을 위한 표준 고처리량 스크리닝 워크플로우를 제공합니다. 이 과정은 ARTP 돌연변이 유발을 통해 돌연변이 라이브러리를 구축하고, 자동화된 마이크로플루이딕스를 이용한 양성 액상 스크리닝을 수행하며, 이후 결과를 검증하는 과정을 포함합니다. 이 워크플로우의 신뢰성은 고수율 B. coagulans 균주를 스크리닝하여 검증되었습니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
이 프로토콜은 산업 미생물을 위한 표준 고처리량 스크리닝 워크플로우를 제공합니다. 이 과정은 ARTP 돌연변이 유발을 통해 돌연변이 라이브러리를 구축하고, 자동화된 마이크로플루이딕스를 이용한 양성 액상 스크리닝을 수행하며, 이후 결과를 검증하는 과정을 포함합니다. 이 워크플로우의 신뢰성은 고수율 B. coagulans 균주를 스크리닝하여 검증되었습니다.
산업용 바이오제조는 미생물을 통해 설계된 조건에서 표적 제품을 효율적으로 합성합니다. 하지만 야생형 균주는 고유한 대사 네트워크 때문에 이를 수행할 능력이 부족한 경우가 많습니다. 따라서 대규모 돌연변이 라이브러리에서 고성능 균주를 신속하고 정확하게 스크리닝하는 것은 산업 미생물 육종에서 매우 중요한 단계입니다. 최근 몇 년간 드롭렛 마이크로플루이딕 기술은 높은 처리량, 낮은 소비량, 단일 세포 구획화 능력으로 큰 주목을 받으며 수많은 단일 세포 분류 시스템 개발로 이어졌습니다. 이 연구에서는 자동화된 액상 마이크로유체 플랫폼을 이용한 산업용 미생물 균주에 대한 고처리량 스크리닝 프로토콜을 제시합니다. 통합 작업 흐름은 네 가지 주요 단계로 구성됩니다: 대기 및 상온 혈장(ARTP)을 통한 돌연변이 라이브러리 구축; 고효율 단세포 캡슐화와 피콜리터 규모 액상 내 통제된 미세 배양; 형광 바이오센서의 정밀 피코 주입 후 형광 활성화 물방울 분류(FADS)를 통해 고생성 변이체를 포함한 방울을 분리하는 방법; 그리고 마이크로플레이트와 쉐이크플라스크 발효를 통한 선별 후보 균주의 검증. 완전하고 통합된 스크리닝 워크플로우가 표준화된 템플릿으로 의도되었으며, 그 검증은 B . 응고균 의 고수율 L-젖산 생성 돌연변이체를 분리하여 입증됩니다. 이 자동화된 고처리량 스크리닝 플랫폼은 고성능 품종의 산업적 육종을 가속화할 잠재력을 지닌 강력한 기술적 솔루션을 제공합니다.
산업 생명공학은 미생물과 효소를 생물촉매로 사용하여 대규모로 가치 있는 제품을 생산합니다. 이 방식은 전통적인 화학 제조보다 더 친환경적이고 효율적인 것으로 여겨집니다. 그러나 미생물의 자연 대사 네트워크는 인간이 원하는 효율적인 합성보다는 자신의 생존과 번식을 우선시하도록 진화해 왔습니다. 따라서 엄격한 조건 1,2,3의 산업 생산 환경을 충족하기 위해 고처리량 미생물 육종이 종종 필요합니다. 이 과정은 물리적 또는 화학적 돌연변이 유발을 통해 대규모 미생물 돌연변이 라이브러리를 신속히 구축한 후, 유전자형이 뚜렷한 돌연변이체를 배양하고 표현형을 검출하는 과정을 포함합니다. 그 후 상위 균주 중 극히 일부만이 선택됩니다. 그러나 전통적인 판 기반 및 마이크로판 기반 스크리닝 기술은 번거로운 절차, 낮은 처리량, 높은 비용 때문에 제약을 받고 있습니다. 이 병목 현상과 소모성 및 시약의 상당한 소비가 결합되어 미생물 육종의 전반적인 효율성이 낮아집니다 4,5.
드롭렛 마이크로플루이딕스는 최근 이 문제에 대한 혁신적인 해결책으로 부상했습니다. 분자가 세포 밖으로 빠르게 확산되어 분비 생성물을 스크리닝하는 데 적합하지 않은 형광 활성화 세포 분류(FACS)와 달리, 형광 활성화 액적 분류(FADS)는 피콜리터 규모의 구획형 마이크로 반응기 6,7,8 내에서 단일 세포를 캡슐화합니다. 이러한 물리적 격리는 균주 간 경쟁을 방지하고, 분비된 대사산물의 국소적 축적을 가능하게 하며, 형광 바이오센서를 통한 정량적 검출을 가능하게 합니다. 따라서 FADS는 아미노산, 유기산, 효소 등 다양한 세포외 산물의 고처리량 스크리닝에 이상적인 플랫폼임이 입증되었습니다. 한 팀은 유전적으로 인코딩된 형광 바이오센서 GECFINDER를 개발했고, FADS와 결합하여 고페닐알라닌 생성 균주를 성공적으로 스크리닝하고 스크리닝 효율을 1000배 이상 향상시켰습니다. 또 다른 연구팀은 형광 활성화 방울 분류 플랫폼과 유전적으로 암호화된 바이오센서를 결합하여 대장균에서 3-디하이드로시키믹산 생성 균주를 고처리량으로 스크리닝할 수 있게 했으며, 최적화된 FADS 시스템은 스크리닝 효율을 크게 향상시켜 생산량이 크게 향상된 돌연변이 균주를 분리할 수 있게 했습니다10. 일부 연구자들은 Bst DNA 중합효소 공학에 FADS 기술을 적용하였고, 획득된 돌연변이체는 열안정성과 가닥 이동 활성이 크게 향상된 것을 통해 LAMP 검출에 추가로 적용되어 반응 시간을 40분에서 10분11분으로 단축시켰다.
그러나 이러한 기술 진보를 일상적인 산업 변형 개발 워크플로우로 전환하는 것은 여전히 도전적입니다. 많은 상업용 액적 마이크로플루이딕 시스템은 정교한 하드웨어에도 불구하고, 미생물 표현형 스크리닝을 위한 완전하고 직관적이며 재현 가능한 표준 운영 절차가 부족합니다. 이 격차를 해소하기 위해 모듈식 유체 제어, 사용자 친화적 소프트웨어, 표준화된 칩 설계를 통합한 자동화된 액적 마이크로유체 플랫폼이 채택되어 완전 통합 스크리닝 워크플로우 구축을 위한 이상적인 기술적 토대를 마련했습니다. 본 연구는 고수율 L-젖산 생성 B. 응고군의 고처리량 스크리닝을 검증 사례로 사용한다. 드롭릿 마이크로플루이딕 플랫폼을 기반으로 다음 워크플로우가 구축되었으며, 네 가지 주요 순차적 단계로 구성되었습니다: (1) 대기 및 상온 플라즈마(ARTP) 돌연변이 유발을 통한 다양한 돌연변이 라이브러리 구축; (2) B. 응고균의 성장과 L-젖산 생성에 최적화된 조건에서 비방울 내 고효율 단일 세포 캡슐화와 통제된 미세 배양; (3) L-락테이트 특이적 형광 바이오센서의 정밀 피코 주입 후, 우수한 생산자를 캡슐화하는 비말의 고속 분류; 그리고 (4) 셰이크플라스크 발효를 통한 엄격한 후보 검증을 통해 생산성 향상과 유전적 안정성을 확인하는 것. 이 프로토콜은 산업 미생물 육종에 종사하는 연구자 및 엔지니어가 세포외 산물의 고처리량 스크리닝이 필요한 경우를 대상으로 합니다. 특히 소분자 대사산물이나 효소를 분비하는 배양 가능한 박테리아에 적합합니다. 스크리닝 플랫폼은 대상 대사산물의 특이적 검출을 가능하게 하기 위해 액적 미세환경과 호환되는 센서를 장착해야 합니다. 특별한 배양 요구가 필요한 품종(예: 엄격한 혐기성 종)의 경우, 배양 매개변수를 조정하여 최적화하고 전용 배양 전략을 확립할 수 있습니다. 이 폐쇄 루프 표준화된 선별 워크플로우를 구축함으로써, 본 연구는 균주의 산업적 육종을 가속화할 수 있는 강력하고 전이 가능한 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 연구에는 윤리적 승인이 필요하지 않았습니다. 모든 실험은 순수 미생물 배양을 사용하여 수행되었으며, 인간 대상이나 실험동물은 이 연구에 참여하지 않았습니다. 다음 프로토콜에서 사용되는 모든 재료에 대한 자세한 내용은 재료 표를 참조하십시오.
1. 준비
주의: 생물안전 수칙을 준수하세요. B. coagulans 는 생물안전 레벨 1 생물입니다. 장갑과 실험복을 착용하세요. 모든 개방 조작은 층류 후드 내에서 수행하세요. 버기 전에 121 °C에서 20분 동안 살아있는 세포와 접촉하는 모든 물질을 오토클레이브하세요.
2. ARTP 이용한 돌연변이 라이브러리 구축
주의: ARTP 작동은 고주파 플라즈마와 자외선 램프를 사용합니다. 자외선은 눈과 피부 손상을 일으킬 수 있습니다. 플라즈마 방출은 오존과 고온을 발생시킵니다. 플라즈마가 켜져 있을 때는 항상 챔버 문을 닫아두세요. 실험실 가운과 자외선 차단 고글을 착용하세요. 순수 헬륨은 99.999%만 사용; 적절한 환기를 확보하세요. 돌연변이 유발 수술 후, 작업대와 돌연변이 유발 챔버 내벽을 75%(v/v) 에탄올에 담근 보풀 없는 천으로 닦아줍니다. 75% 에탄올은 매우 가연성이 강합니다. 불꽃, 불꽃, 뜨거운 표면에서 멀리 떨어져 보세요.
(1)3. 자동 액적 마이크로플루이딕 플랫폼 및 소모품의 구성
4. 방울 생성
주의: 자동 액상 마이크로유체 플랫폼을 청소하세요. 각 실험 후에는 무보풀 물티슈로 75% 에탄올로 스테이지, 칩 홀더, 유출 부위를 닦아주세요. 잔여 불소유, 셀 현탁액, 센서 용액을 제거하세요.
(2)5. 물방울 배양
6. 액적 피코 주입
주의: 피코 주입 시 기기 연결을 통해 칩 전극에 고전압이 가해집니다. 전기장은 심한 감전을 일으킬 수 있습니다. 고전압이 작동 중일 때는 금속 도구나 맨손으로 전극이나 칩 표면을 만지지 마세요. 칩을 다루기 전에 항상 고전압 출력을 비활성화하세요. 절연 장갑을 착용하고 비전도성 도구를 사용하세요.
7. 물방울 분류
주의: 유두제는 자극제이며 피부와 눈 자극을 유발할 수 있습니다. 흡입하거나 삼키면 해롭습니다. 항상 적절한 개인 보호 장비(장갑, 실험복, 안전 고글)를 착용하세요. 탈혈제는 환기가 잘 되는 곳이나 훈풍 후드에서 다루세요. 폐기물 제거제는 별도로 명확하게 표시된 용기에 담아 보관하세요. 싱크대에 부지 마세요.
8. 데이터 내보내기
9. 마이크로플레이트 1차 선별
10. 고수확 품종의 2차 검증
주의: 이동상에는 부식성이 있는 희석 황산(5 mM)이 포함되어 있습니다. 피부 접촉과 흡입은 피하세요. 적절한 개인 보호 장비(장갑, 실험복, 안전 고글)를 착용하세요. 이동 위상은 환기가 잘 되는 곳이나 훈막 후드에서 준비하고 다루세요. 산성 함유 폐기물은 전용 산성 폐기물 용기에 모아 적절히 처리하세요. 싱크대에 부지 마세요.
(3)
(4)11. 고수확 계통의 유전적 안정성 평가
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
자동화된 액적 마이크로유체 플랫폼을 기반으로 고처리량 스크리닝 모델이 구축되었습니다. ARTP 돌연변이 유발으로 B . coagulans 돌연변이 라이브러리가 구축되었으며, 최적의 조사 시간은 20초로, 치명률은 약 90%에 달했다(그림 4A). 돌연변이 세포들은 직경 약 30 μm, 14 pL 방울로 캡슐화되어 생성 속도 1500 Hz로 이루어졌습니다(그림 4B). 45°C에서 10시간 동안 인큐베이팅한 후, 센서는 각 방울에 200Hz 속도로 피코 주입되었습니다(그림 4C). 형광 활성화 액적 분류는 488 nm 레이저를 사용하여 100 Hz에서 수행되었습니다(그림 4D). 분리된 양성 비말은 탈퇴되었고, 단일 군집을 선택해 검증을 진행했습니다. 수확된 군락은 처음에 24개의 웰 딥웰 플레이트에서 50°C,...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 프로토콜은 자동화된 액적 마이크로유체 플랫폼을 기반으로 한 산업용 미생물 스크리닝을 위한 표준화된 워크플로우를 제공합니다. 통합 워크플로우는 돌연변이 라이브러리 구축, 방울 생성 및 단세포 캡슐화, 마이크로 반응기 배양, 바이오센서 주입, 형광 활성화 방울 분류, 그리고 표적 균주의 최종 검증을 포함합니다. 고수율 L-젖산을 생성하는 B. coagulans의 고처리량 스크리닝을 검증 사례로 사용하여, 이 워크플로우는 B. coagulans 균주 개선 측면에서 기존 마이크로플레이트 및 아가플레이트 방법에 비해 여러 가지 장점을 입증했습니다. 스크리닝 처리량과 효율성 측면에서 이 플랫폼은 마이크로플루이딕 칩을 활용해 수천에서 수만 개의 방울을 병렬로 생성하고 처리하며, 전통적인 마이크로플레이트기반 방식에 비해 단일 라운드 스크리닝 처리량을 약 10/4배 증가시킵니다. ...
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
샤오지에 궈와 리옌 왕은 이 연구에 사용된 자동 액적 마이크로플루이딕 플랫폼과 마이크로플루이딕 칩을 제조하는 장쑤 TMAXTREE 바이오테크놀로지 유한회사의 직원입니다. 이 연구와 관련하여 상립하는 이해관계가 없으며 연구 설계, 데이터 수집, 분석, 해석 또는 원고 준비에 관여하지 않았다고 선언합니다. 다른 저자들은 상반되는 이해관계가 없다고 선언한다.
이 연구는 첨단 소재-국가 과학기술 주요 프로젝트(보조금 번호 2024ZD0603600)의 지원을 받았습니다. 추가 지원은 광둥 과학기술프로그램(보조금 번호 2024B1111130002)에서 제공되었습니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Agar | Becton, Dickinson and Company | 214030 | 고형 플레이트 준비 |
| 무수 에탄올 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 10009218 | 실험실 벤치 및 기기 닦기 및 소독 |
| 대기 및 실온 플라즈마(ARTP) | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | CP-002 | ARTP는 변이체 라이브러리를 구성하기 위해 변이 유도에 활용되었습니다. |
| B. coagulans | Beijing Microbial Culture Collection Center, BMCC | 1511C0004000002355 | B. coagulans ATCC 7050는 변이 유도를 위한 시작 균주 및 고속 드롭릿 스크리닝의 대상으로 사용되었습니다. |
| 검은색 마이크로플레이트(96웰) | Corning | 3925 | 96웰 검은색 마이크로플레이트는 젖산 센서 분석 및 젖산 농도 결정에 사용되었습니다. |
| 탄산칼슘 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 20011062 | L-젖산 과잉생산자를 분리합니다. |
| 염화칼슘 | Sinopharm | 10005819 | 염화칼슘은 미생물 배양 배지 제조에 사용되며 미생물 성장에 필수 영양소를 제공합니다. |
| 칼슘 L-젖산염 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. | 69027528 | 검출 과정에서 표준 곡선 제조용 샘플로 사용됩니다. |
| 원심분리 튜브(15 mL) | Beijing Xinhengyan Technology Co., Ltd | HB53397 | 세균 액체 희석에 사용됨 |
| 채취 튜브 | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | DREMcell-CL | 드롭릿 수집 및 후속 배양용 |
| 컴퓨터 | Lenovo | E450 | 소프트웨어 설치 및 DREM Cell 제어. |
| DAPI | Solarbio | c0065 | 세포 염색용 |
| 심도 웰 플레이트(24웰) | BKMAMLAB | 110424008 | 깊은 우물 플레이트를 사용하여 B. coagulans 변이체의 초기 수율 검증 |
| 유화제(1H,1H,2H,2H-Perfluorooctanol) | MACKLIN | H817022 | 드롭릿 유화제는 물-기름 마이크로 드롭릿을 분해하고 내부 세포, 균주 또는 상청을 방출하여 후속 검출 및 분석을 위해 사용됩니다. |
| D-글루코스 | Solarbio | G8150-1000 | D-글루코스는 미생물 배양 배지 제조에 사용되며 미생물 성장에 필수 영양소를 제공합니다. |
| 디암모늄 수소 시트르산염 | Solarbio | D9950 | 디암모늄 수소 시트르산염은 미생물 배양 배지 제조에 사용되며 미생물 성장에 필수 영양소를 제공합니다. |
| 무수 디포타슘 수소 인산염 | Sigma-Aldrich | P8281 | 무수 디포타슘 수소 인산염은 미생물 배양 배지 제조에 사용되며 미생물 성장에 필수 영양소를 제공합니다. |
| DREM 소프트웨어 버전 | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | DREMcell v02.01.18 | DREM 셀 기기 제어.DREM 소프트웨어는 Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd.의 DREM Cell 기기 전용 상업용 프로그램입니다. 공식 액세스 또는 다운로드 URL이 없으며 기기와 함께 인증을 통해 배포됩니다. |
| 드롭릿 포획 미세유체학 세포 분리기(DREM Cell) | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | CP-027 | 드롭릿 포획 미세유체학 세포 분리기는 단일 세포 캡슐화 및 분리를 위해 높은 처리량으로 변이체 라이브러리에서 고수율 균주를 신속하게 스크리닝하는 데 사용되었습니다. |
| 드롭릿 생성 칩 | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | HC-03-009 | 드롭릿 생성 칩은 단일 세포 캡슐화를 위한 모노디스퍼스 피코리터(pL) 규모의 드롭릿을 생성하는 데 사용됩니다. |
| 드롭릿 주입 칩 | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | HC-03-003 | 드롭릿 마이크로 주입 칩은 후속 생화학 반응을 위해 사전 형성된 드롭릿에 정밀하고 미량의 시약을 주입하는 데 사용됩니다. |
| 드롭릿 분류 칩 | Jiangsu TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | HC-03-002 | 드롭릿 분류 칩은 형광 신호를 기반으로 고수율 세포를 포함하는 대상 드롭릿을 분류하는 데 사용됩니다. |
이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청
허가 요청