山东能源研究院/青岛能源所开发出基于可寻址动态液滴阵列的单细胞测序技术

  单细胞基因组测序是生命科学与生物技术的共性使能技术之一,但其推广应用却面临着诸多瓶颈。一方面,单个细胞的核酸含量极低,为满足测序所需核酸量通常须大幅增加扩增循环数,这将极度放大基因组DNA扩增的偏好性,从而大幅度降低单细胞全基因组覆盖率;同时,单细胞的分离获取、裂解、扩增等过程通常十分繁琐,而且操作困难、易于污染。针对这些瓶颈问题,单细胞中心开发了一种模块式的可寻址动态液滴阵列平台(aDDA)。该平台能快速分离获取单细胞,并批量完成单细胞裂解、高覆盖度核酸扩增和产物回收,为单细胞全基因组测序样品制备提供了一种创新的全集成技术,该研究于7月23日发表于Small。


  模块式可寻址动态液滴阵列平台
  单细胞基因组测序样品制备需要整合不同的功能单元,以完成一个复杂、多步的完整实验过程。支撑这一过程的液滴微流控技术,一方面在液滴操控上需要“静”,以利于单细胞液滴的鉴别和追踪,从而提高单细胞分离获取的可信度;另一方面又需要“动”,以便于可控地添加试剂,从而快速实现连续多步反应。然而,现有的“连续流动”和“静态模式”的液滴微流控方法却难以满足上述“动”、“静”兼顾的要求。针对这一问题,单细胞中心李春宇副研究员提出了一种动态液滴操控新方法,可在“动”与“静”的完美结合中准确地鉴别和追踪包裹单细胞的液滴,同时精准可控地向静态液滴中添加试剂,以启动核酸扩增反应。依托这一关键技术,研究人员进一步构建了名为aDDA的模块式集成化可寻址动态液滴阵列,实现了单细胞基因组测序样品制备的全流程集成。该阵列具有以下特点:
  第一,高集成度。通过多种液滴操控基本功能单元在微芯片上的一体化设计,实现了单细胞分离、细胞裂解、扩增试剂添加、在线预扩增以及扩增产物回收等环节的在线化与集成化。
  第二,高可信度。通过“可寻址”的微腔室设计,结合“动静结合”的单细胞微液滴操作,实现了单细胞核酸样品制备各环节的可控制、可追踪、可验证,从而确保了操作的准确性。
  第三,高覆盖度。基于前期开发的“微液滴单细胞精确包裹”技术,将通常的微升级MDA扩增体积大幅缩小到亚纳升级(三个数量级的压缩),从而大幅度降低基因组扩增的偏好性、提高基因组的覆盖率。相比于20 μL的扩增体系,基于aDDA(300 pL扩增体系)能将酵母单细胞基因组的覆盖率从26%提高到91%。
  下一步,研究人员将基于aDDA研制全自动单细胞基因组测序样本制备仪。该仪器将作为下游环节,和单细胞中心研制的CAST-R、RACS-Seq、FlowRACS、EasySort Lego/Compact等单细胞拉曼系列仪器系统对接,针对微生物组、突变体库、人体组织等复杂细胞样品,服务从单细胞代谢表型组到相应基因组的高通量解析。
  该工作由单细胞中心马波研究员主持完成,获得了国家自然科学基金委、中国科学技术部、中国科学院等的支持。(文/李春宇 图/陈荣泽 于宁芙)
  Chunyu Li*, Yanhai Gong, Xixian Wang, Jian Xu, and Bo Ma*. Integrated addressable dynamic droplet array (aDDA) as sub-nanoliter reactors for high-coverage genome sequencing of single yeast cells. Small 2021. smll.202100325

 


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