基于液滴-质谱联用的单细胞精度微生物组代谢分析新方法研究

Meta-metabolomics is an important tool for dissecting the functional mechanisms of microbiota. However, due to the extraordinary complexity of microbiota, reconstructing the metabolome of individual members of a microbiota from traditional meta-metabolomics datasets is typically quite difficult. This has become one key limitation of the current experimental strategy of meta-metabolomics. To tackle this problem, this proposal aims to employ microfluidic droplets, in which single (or several symbiotic) microbial cells are wrapped in micro-droplets for high-throughput parallel culture. The droplet-based single-cell culture is then coupled to downstream mass spectrometry for metabolomics analysis, in parallel. To achieve this goal, several key techniques will be developed, which include: single-cell cultivation in droplets, auto-spotting of matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) interface, and online in situ pretreatment of samples. In the end, an innovative single-cell precision (i.e., from clonal population of single-cells) ultra-high-speed integrated metabolomics method would be demonstrated, using oral microbiota as an example.

代谢物组是解析微生物组功能机制的重要工具。但是微生物组通常结构复杂，其个体成员的代谢组一般难以从传统意义上的元代谢物组数据中得以重建，这是当前元代谢组实验策略的核心局限性之一。针对这一瓶颈，本项目拟采用微液滴分散包裹微生物，即将单个(或数个共生)微生物细胞包裹在微液滴中进行高通量并行培养，并且与质谱耦合进行代谢组学分析，力图实现在“个体”层面全面解析微生物组代谢谱。拟重点建立液滴单细胞培养及分选、芯片-MALDI自动点样和在线原位代谢物预处理等关键技术，进而以口腔微生物组为模式检测体系，探索一种以单细胞克隆化群体为并行分析单元、超高速、一体化的微生物组代谢分析新方法。

代谢分析是解析微生物组功能机制的重要工具。但是由于微生物组异乎寻常的复杂程度，个体的代谢功能通常难以从复杂微生物组代谢物谱中得以重建，使得目前常用的代谢组分析工具无法适应微生物组的复杂要求。针对上述瓶颈，本项目采用微液滴分散包裹微生物，即将单个(或数个共生)微生物细胞包裹在微液滴中进行高通量并行培养，并且与质谱耦合进行代谢组学分析，力图实现在“个体”层面全面解析微生物组代谢谱。已成功发展（1）基于液滴的微生物培养技术，通过优化芯片结构，实现从50微米-100微米各种不同大小液滴的单细胞细菌包裹和培养，经过约3-6小时的培养后，在光学显微镜下能观测到液滴内培养基光学透明度发生变化。（2）建立培养后的液滴识别与分选技术，并且耦合（3）液滴自动点样技术，成功实现微生物的微观培养到后续的宏观操控为基础的识别、分选、点样技术平台。发展适用于在线微生物培养的液滴微流控、液滴包裹代谢物的自动点样、代谢物预处理以及MALDI质谱代谢物分析等关键技术，其中液滴分选效率能达到90%以上。并且将分选后的液滴成功点样到靶板上。其中点样效率在90%左右。后续通过与MALDI质谱耦合，成功检测出微生物的代谢物质。采用上述技术，以微生物组为检测体系，力图建立一种创新的单细胞精度超高速一体化微生物组代谢分析方法。本项目的实施，将为目前微生物组代谢分析中的单细胞精度分析提供新的解决方案。