mLife | 金帆團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)基于顯微鏡的可用于基因元件高通量定量表征的新技術(shù)
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所金帆團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于顯微鏡的高通量原位表征技術(shù),該平臺(tái)在一次實(shí)驗(yàn)中允許對(duì)96個(gè)獨(dú)立菌株或?qū)嶒?yàn)條件進(jìn)行同時(shí)篩選,顯著加速了各種生物系統(tǒng)中基因元件的識(shí)別和表征。相關(guān)研究成果以High-throughput, microscopy-based screening and quantification of genetic elements為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊mLife。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員張榮榮和黃亞佳為文章的共同第一作者,研究員金帆和中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心副研究員楊帥為共同通訊作者。
合成生物學(xué)的發(fā)展依賴于對(duì)各種基因元件的篩選和定量表征,以組裝具有特定功能的基因回路。然而,傳統(tǒng)顯微技術(shù)在高通量篩選方面存在瓶頸,包括實(shí)驗(yàn)中樣本的準(zhǔn)備工作較為繁瑣,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模樣本的高通量篩選,在單細(xì)胞水平上的動(dòng)態(tài)分析受到限制,難以追蹤基因元件在細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化等等。
基于以上背景,金帆團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的高通量顯微平臺(tái),旨在加速基因元件的篩選和表征。該平臺(tái)涉及到的專(zhuān)用設(shè)備也是課題組獨(dú)立設(shè)計(jì)研發(fā),解決了實(shí)驗(yàn)中樣本準(zhǔn)備瓶頸的問(wèn)題,它具有高通量、自動(dòng)化和快速掃描的特點(diǎn),從樣品制備到數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集可在30分鐘內(nèi)完成,使得樣本的準(zhǔn)備和篩選變得更加高效 (圖一)。同時(shí)還可以在單細(xì)胞水平上進(jìn)行了詳細(xì)的分析,包括對(duì)生長(zhǎng)速率等細(xì)胞特征的測(cè)量,為研究提供了更為全面的數(shù)據(jù)。
通過(guò)該平臺(tái),研究人員對(duì)銅綠假單胞菌內(nèi)3025個(gè)天然內(nèi)源啟動(dòng)子的進(jìn)行了篩選。鑒定出了一批魯棒型啟動(dòng)子,這些啟動(dòng)子在不同的生長(zhǎng)條件下仍能保持基因表達(dá)的穩(wěn)定性。隨后在單細(xì)胞水平上定量表征了細(xì)菌生長(zhǎng)速率對(duì)啟動(dòng)子魯棒性的影響(圖二),為我們探索啟動(dòng)子魯棒性的機(jī)制提供了更全面的定量表征數(shù)據(jù)。
隨后,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)這些魯棒型啟動(dòng)子進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,通過(guò)逐步縮短啟動(dòng)子序列以鑒定其核心堿基序列,通過(guò)替換啟動(dòng)子的RBS和下游基因以確定啟動(dòng)子的魯棒性只受轉(zhuǎn)錄調(diào)控。隨后在常用的工業(yè)底盤(pán)菌株惡臭假單胞桿菌KT2440中發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子在不同的在不同宿主中仍然表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性和功能性,驗(yàn)證了這些魯棒性啟動(dòng)子在不同生物系統(tǒng)中的通用性 (圖三)。
綜上所述,該研究通過(guò)搭建高通量顯微平臺(tái),成功篩選并鑒定了一批在不同生長(zhǎng)條件下都具有穩(wěn)定表達(dá)量的魯棒型啟動(dòng)子。該平臺(tái)具有的多功能性、兼容性和自動(dòng)化能力,不僅解決了傳統(tǒng)顯微技術(shù)的局限性,也為合成生物學(xué)、基因工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)大的工具,有望在推動(dòng)這些領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)展和技術(shù)創(chuàng)新中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
這項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020YFA0906900)、國(guó)家自然科學(xué)基金(32000061,32101177)、深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)扶持計(jì)劃的深圳人工診療微生物自動(dòng)化合成工程研究中心提升項(xiàng)目(XMHT20220104015)和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。
圖一:基于顯微鏡的高通量表征平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)流程示意圖。
圖二:單細(xì)胞水平上定量細(xì)菌生長(zhǎng)率對(duì)啟動(dòng)子魯棒性的影響。
圖三:?jiǎn)?dòng)子在KT2440底盤(pán)菌株中魯棒性的測(cè)試。
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