このプロトコールでは、シングルセルマイクロリットル液滴培養オミクスシステム(MISS細胞)を使用して、微生物モノクローナルの単離、培養、ピッキングを行う方法について説明します。MISS細胞は、液滴マイクロ流体技術に基づく統合ワークフローを実現し、優れた液滴単分散性、高並行培養、ハイスループットのバイオマス検出を提供します。
方法論記事
このプロトコールでは、シングルセルマイクロリットル液滴培養オミクスシステム(MISS細胞)を使用して、微生物モノクローナルの単離、培養、ピッキングを行う方法について説明します。MISS細胞は、液滴マイクロ流体技術に基づく統合ワークフローを実現し、優れた液滴単分散性、高並行培養、ハイスループットのバイオマス検出を提供します。
純粋な細菌培養は、微生物培養の研究に不可欠です。固体プレート、ウェルプレート、マイクロリアクターをベースとした従来の方法は、煩雑な手順や低スループットによって妨げられ、微生物培養研究の急速な進歩を妨げています。これらの課題を解決するために、私たちは、液滴マイクロ流体技術を活用した微生物モノクローナルの単離、培養、スクリーニングに自動化されたハイスループットプラットフォームであるSingle-cell Microliter-droplet Culture Omics System(MISS cell)の開発に成功しました。このシステムは、多数の単一細胞液滴を生成し、モノクローナルコロニーを短時間で培養、スクリーニング、および収集できるため、微生物の分離からピッキングまでの統合プロセスが容易になります。このプロトコールでは、ヒト腸内細菌叢の単離と培養を例に、その応用を実証し、固体板培養法を用いて微生物の単離効率、モノクローナル培養性能、スクリーニングスループットを比較しました。実験ワークフローはシンプルで、試薬の消費量は非常に少なかった。ソリッドプレート培養法と比較して、MISS細胞はより多様な腸内細菌叢種を培養することができ、微生物培養研究に大きな可能性と価値を提供します。
微生物培養学は、食品産業における有益な微生物の研究、環境微生物の多様性、新しい抗菌化合物のスクリーニング、および疾患に関連するヒトマイクロバイオームの研究に幅広い用途があります1,2,3,4。従来の方法は、主に固体プレート、ウェルプレート、またはマイクロリアクターに基づいてモノクローナルコロニーを取得および選択するため、操作は簡単ですが、複数のステップのためにスループットが低くなります。この制限は、微生物の突然変異誘発スクリーニング、微生物培養学研究、高生産性コロニー選択などのアプリケーションを妨げており、これらはすべて広範なモノクローナルスクリーニングを必要とします。
最近、さまざまなシングルセル検出および分注装置が、微生物サンプルの処理速度を大幅に向上させると同時に、手作業による取り扱いによる労力とエラーを最小限に抑えるように設計されています5。しかし、これらの機器は通常、従来の方法内の特定のステップにのみ対応しており、多くの場合、大規模な機器の統合が必要で、かなりのスペースを占有し、高いコストが発生します。そのため、上記の欠点を補うために、低コストで普遍的に適用可能な微生物培養およびスクリーニングプラットフォームを開発することが急務でした。
これまでの研究では、シングルセルマイクロリットル液滴培養オミクスシステム(MISS細胞、以下「オミクスシステム」)6と呼ばれる自動化されたハイスループットスクリーニングプラットフォームの開発に成功しました。このプラットフォームは、液滴マイクロ流体技術を利用しており、微生物の分離、培養、ピッキングの自動化と統合を実現することが期待されています7,8,9,10。オミクスシステムは、サンプリングモジュール、マイクロ流体チップ、液滴検出および収集システムなど、いくつかの主要モジュールで構成されており、微生物学研究における効率的なシングルセルの分離、培養、モノクローナルスクリーニング、および収集を可能にします。私たちはすでにオミクスシステムを利用して、Corynebacterium glutamicum6のハイスループット突然変異誘発スクリーニングを達成しています。
Omicsシステムの自動化とハイスループットスクリーニング機能により、微生物培養への応用により、大量の微生物データを迅速に取得することが期待されます。このプロトコルでは、MISS細胞の詳細な操作手順を紹介し、例としてヒト腸内細菌叢の単離と培養を行い、微生物の単一細胞の単離、培養、モノクローナル検出、およびスクリーニングのプロセスを実証しました。オミクスシステムの操作は簡単で、研究者はソフトウェアの指示に従うだけで、マイクロチューブと液滴生成マイクロ流体チップの順次取り付け、パラメータ設定、サンプル調製を行うことができます。
ソフトウェア操作インターフェースでは、オミクスシステムは、分離、培養、スクリーニングの3つの主要な機能に分かれています。研究者は、実験に応じて異なるステージを選択できます。さらに、液滴スクリーニング段階では、研究者は蛍光シグナルと光学濃度の2つの検出モードから選択できます。このソフトウェアは、飛沫スクリーニングプロセスをリアルタイムで視覚化します。最後に、研究者は、特定の実験要求に基づいて、培養条件、検出波長、収集ウェルの数などのパラメーターを柔軟に設定でき、いつでも装置を一時停止して他の操作を行うことができます。MISS細胞は、微生物にやさしいハイスループットのモノクローナルスクリーニングプラットフォームであり、操作が簡単で試薬の消費が最小限に抑えられています。
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すべての研究手順は、関連するすべての倫理規制に準拠しています。手続きは、清華大学の科学技術倫理委員会によって承認されました。ヒトの腸内細菌叢を研究するために、重大な病状のない健康な成人から便サンプルを採取し、書面によるインフォームドコンセントを提供しました。
1.機器のインストール
2. 事前準備
3.液滴の生成
4.液滴栽培
5.飛沫スクリーニング
6.ヒートマップのデータエクスポートと表示
7. MISSセルのクリーニング
8. 微生物モノクローナルバックアップとシーケンシングサンプル調製
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主要な微生物群集を構成するヒトの腸内細菌叢は、腸内に約4×1013 の微生物が宿していると推定されており、その膨大な数と複雑な組成を示しています11。本研究では、腸内細菌叢の単離と培養を目指し、MISS細胞のハイスループット性能を実証するためのコントロールとしてソリッドプレート法を用いた。
まず、同じ糞便懸濁液を使用して、両方の方法のシングルセル単離スループットを比較しました。MISS細胞では、低濃度の微生物を使用し、液滴中の微生物の分布確率をポアソン分布に基づいて計算することができました: P(λ,x) = λx e-λ/x!、 ここでλ は液滴上の平均細胞数であり、微生物濃度と液滴量を掛けることで計算できます。x は、液滴にカプセル化されたセルの数です。ここでは、初期微生物懸濁濃度=0.1(初期微生物濃度は50細胞/mL、液滴量は2.0μL)とし、エンプティ液滴、シングルセル液滴、マルチセル液滴...
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このプロトコールでは、自動化されたハイスループットの微生物モノクローナル単離、培養、検出、および収集のためのMISS細胞の操作について概説しています。腸内細菌叢の20~30%しか単離および培養できない従来の方法と比較して2,12、オミクスシステムを使用して得られたモノクローナルクローンの数は、固体プレートから得られたモノクローナルクローンの数よりも1.97倍多かった。この比較から、MISS細胞はシングルセル単離、モノクローナル培養、スクリーニングに優れていることが分かります。
シングルセル単離では、オミクスシステムによりポアソン分布に従ってシングルセルの液滴が得られ、良好なモノクローナル性が確保されました。さらに、オミクスシステムは最大5,000液滴/hの速度で液滴を生成し、液滴サイズが小さいため試薬の消費量を大幅に削減しながら、ハイスループットなシングルセル単離を可能にしました。液滴生成時には、マ...
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著者には、開示すべき利益相反はありません。
本研究は、広東省の主要地域における研究開発プロジェクト(2024B1111130002)、河北省の研究開発プロジェクト(22375503D)、安徽省工業微生物学分子育種研究所のオープニングプロジェクト(Grant ELMB-07)の支援を受けて行われました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 100 mm ペトリ皿 | Merck KGaA, ダルムシュタット, ドイツ | P5731-500EA | 固形プレート調製用 |
| 30 mL 便容器 | Boen Healthcare Co., Ltd | 611101 | 便サンプルの収集用 |
| 37 >C定温インキュベーターShanghai | Yiheng Technology Co., Ltd. | LRH-150 | インキュベーターで固体プレートを培養する |
| 96ウェル クリアフラットボトムポリスチレンTC処理マイクロプレート | コーニング | 3599 | ウェルプレート移動検出と液滴収集用 |
| 寒天ベ | クトン、ディキンソンアンドカンパニー | 214010 | 固体プレート調製用 |
| 気泡除去オイル | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISS cell-S-oil | 飛沫スクリーニング中の気泡除去剤に含まれる油 |
| 洛 | 陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISS cell-S | 飛沫の検出と収集を行う前に、飛沫間の気相を除外 |
| 嫌気性ベンチ | 常熟市海域町アルゴン・窒素宇宙機器事業部 | VGB-4CM | 無菌運転および嫌気性条件下でのUV滅菌用 |
| オートクレーブ | Puhexi健康医療機器有限公司 | MLS-830L | BHIミディアム、EPチューブなどのオートクレーブ用。 |
| ブレインハートインフュージョン(BHI)ブロス | 青島ハイテク工業団地 海博バイオテクノロジー株式会社 | HB8297-1 | BHI媒体の成分 成分リスト: 蒸留水中のBHIブロス |
| セルスプレッダー | メルクKGaA、ダルムシュタット、ドイツ | HS8151 | 微生物溶液を固体プレートに接種します |
| 遠心分離管、15mL | 北京新恒岩技術有限公司、 Ltd | HB53397 | 微生物溶液調製用 |
| コンピュータ | Lenovo | E450 | ソフトウェアのインストールとMISS細胞制御 |
| クライオバイアル | サーモフィッシャー | 2.0 mL | 便保存用 |
| 蒸留水 | 北京Mreda Technology Co., Ltd. | M306444-100ml | 液滴培養室内の湿度を保つために加湿器に入れる |
| EPチューブ | サーモフィッシャー | 2.0mL | 便サンプルの採取用 |
| 蛍光倒立顕微鏡 | オリンパスライフサイエンス (LS) | CKX53 | 微生物濃度の確認と計算 |
| グリセロール | GENERAL-REAGENT | G66258A | 菌株保存用 |
| 血球計算盤 | Acmec | AYA0810-1ea | リン酸 |
| 緩衝生理食塩水(PBS溶液)の微生物濃度KCl Ambeed A442876成分を計算します成分リスト:8 g / L NaCl、0.2 g KCl、1.44 g Na2HPO4、0.24 g KH2P4 蒸留水 | |||
| KH2PO4 | マックリン | P815661 | リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS溶液)の成分成分リスト:8 g / L NaCl、0.2 g KCl、1.44 g Na2HPO4、0.24 g KH2PO4蒸留水 |
| メッシュ | メッシュ製造有限公司で。 Ltd | 200メッシュ(0.075mm)、400メッシュ(0.038mm)、800メッシュ(0.018mm) | 便サンプルから未消化の食品と小さな粒子状物質を取り除き |
| マイクロチューブと液滴生成マイクロ流体チップ | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISC-B2 | 液滴生成・液滴インキュベーション用 |
| MISS細胞油 | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISS cell-BOS-B | 液滴マイクロ流体用油相 |
| MISS細胞ソフト | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISS細胞V3.2.4 | MISS細胞装置 |
| Na2HPO4 | Solarbio | D7292 | リン酸緩衝生理食塩水(PBS溶液)の成分成分リスト:8 g/L NaCl、0.2 g KCl、1.44 g Na2HPO4、0.24 g KH2PO4 蒸留水 |
| NaCl | GENERAL-REAGENT | G81793J | 生理食塩水の成分 成分リスト: 9 g/L NaCl 蒸留水ピ |
| ペット | エッペンドルフ | 2.5 μL、10 μL、100μL、1000μL | リキッドハンドリング用 |
| ポリテトラフルオロエチレンチューブ | Shenzhen WOER Heat-shrinkable Material Co., Ltd. | 3401000141 | 液滴インキュベーション用。この材料は、マイクロチューブと液滴生成マイクロ流体チップ |
| サンプルボトル | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISSセルボトル | 微生物溶液のサンプリング |
| シングルセルマイクロリットル液滴培養オミクスシステム(MISS細胞) | 洛陽TMAXTREEバイオテクノロジー株式会社 | MISS cell-G3f | 微生物モノクローナルの単離、培養、検出、収集の実施 |
| 超高速遠心分離機 | サーモフィッシャー | ソルバル リンクス 4000 | シーケンシング用の微生物溶液を調製します |
| シリンジ | 江蘇Zhiyuの医学の指示Co.、株式会社 | 10のmL | の蒸留水を引いて、液滴の栽培部屋の加湿器に注入する |
| 超低温冷却装置 | SANYO超低温 | MDF-U4086S | ひずみ保存用(-80°C;C) |
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