基于液滴的數(shù)字PCR與定量培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合，為微生物學提供了定量的強大工具。在微生物生態(tài)學、環(huán)境監(jiān)測和臨床診斷中，精確測定樣品中特定微生物的活菌濃度至關(guān)重要。傳統(tǒng)的菌落形成單位計數(shù)法不僅耗時長達數(shù)天，且精度有限，尤其對于生長緩慢或需求苛刻的微生物。液滴培養(yǎng)系統(tǒng)將樣品進行系列稀釋后，與營養(yǎng)培養(yǎng)基混合并生成大量微滴。根據(jù)泊松分布原理，經(jīng)過適當稀釋，大部分液滴中不含任何細胞，少部分液滴含有一個細胞，極少數(shù)含有多個細胞。將整個液滴陣列在適宜條件下培養(yǎng)后，通過統(tǒng)計出現(xiàn)生長的液滴比例，即可反向計算出原始樣品中的活菌濃度。這種方法被稱為微滴數(shù)字培養(yǎng)，其靈敏度極高，甚至能夠檢測出樣品中極其稀有的目標微生物。更重要的是，該系統(tǒng)可以與熒光探針相結(jié)合，在培養(yǎng)結(jié)束后對液滴進行基于數(shù)字PCR原理的檢測：對每個液滴進行終點熒光信號讀取，只有那些含有目標微生物且其增殖達到一定程度的液滴才會被判定為“陽性”。這種將生長表型與特異性核酸檢測相結(jié)合的“表型-PCR”雙確認模式，極大地提高了定量的準確性和特異性，特別適用于在復(fù)雜背景菌群中量化某一特定病原菌或功能菌株的豐度。 通過監(jiān)測液滴內(nèi)代謝物變化，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r追蹤微生物的生長與代謝動力學。上海高通量液滴培養(yǎng)組學系統(tǒng)

    微流控技術(shù)作為單細胞操控的工具，在全自動單克隆挑取系統(tǒng)中正引發(fā)新一輪的進步。傳統(tǒng)有限稀釋法步驟繁瑣、效率低下且克隆性難以保證，而基于微滴微流控的“單細胞-微滴”包裹策略則完美解決了這些痛點。該系統(tǒng)通過精密設(shè)計的芯片通道將細胞懸液與油相流體混合，在剪切力作用下生成數(shù)以萬計的微升級液滴，每個液滴理論上至多包裹一個目標細胞，形成單獨的納升甚至皮升級生物反應(yīng)器。這種物理隔離環(huán)境不僅徹底避免了細胞間的交叉污染，還為后續(xù)克隆性驗證提供了無可辯駁的證據(jù)——因為每個克隆群體都明確源自一個被隔離的祖細胞。全自動平臺的集成進一步放大了其優(yōu)勢：高速成像系統(tǒng)實時監(jiān)測液滴生成與細胞包裹狀態(tài)，機械臂或電場驅(qū)動實現(xiàn)液滴的精確分選與轉(zhuǎn)移，將含有單細胞的液滴定向接種至96孔板或其它培養(yǎng)載體。整個過程在密閉無菌條件下完成，極大地降低了外源污染風險，同時將挑取通量提升至每小時數(shù)千克隆的水平。這對于需要大規(guī)模篩選的抗體藥物開發(fā)、工程細胞株構(gòu)建等應(yīng)用場景而言，意味著研發(fā)周期的大幅縮短與候選分子多樣性的極大豐富。更重要的是，液滴培養(yǎng)的均一性確保了克隆群體在發(fā)育初期處于高度一致的微環(huán)境，為后續(xù)功能研究提供了可靠的比較基礎(chǔ)。 液滴培養(yǎng)組學系統(tǒng)通過構(gòu)建基因型-表型關(guān)聯(lián)的液滴數(shù)據(jù)庫，極大地豐富了細胞功能注釋信息。

該系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)的局限，通過單細胞封裝技術(shù)有效消除種間競爭與生長速率差異的干擾，成為稀有及難培養(yǎng)微生物分離的關(guān)鍵工具。在土壤微生物分離實驗中，利用天木生物 MISS cell 系統(tǒng)對 60882 個液滴進行培養(yǎng)分選，成功獲得 5628 個帶菌液滴，鑒定出 86 種微生物，較傳統(tǒng)平板培養(yǎng)的 73 種高出 17.8%，其中包含布魯氏菌、缺陷短波單胞菌等 50 多種平板無法培養(yǎng)的菌株。微流控平板劃線（MSP）技術(shù)進一步提升了分離效率，其生成的液滴陣列不僅支持顯微鏡實時觀察，還能將培養(yǎng)時間從傳統(tǒng)平板的 16 小時縮短至 12 小時，同時使單菌落測序雜合峰比例保持在 4.35% 的高質(zhì)量水平，與平板培養(yǎng)結(jié)果基本一致。這種技術(shù)突破使環(huán)境中 99% 以上的 "不可培養(yǎng)微生物" 成為可研究對象。

    病原體-宿主相互作用研究借助液滴共培養(yǎng)系統(tǒng)取得了重要進展。理解病原體如何與宿主細胞相互作用是傳染病防治的基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)模型難以在單細胞水平解析這種動態(tài)過程。液滴微流控技術(shù)允許將單個病原體與單個宿主細胞共同封裝在微滴中，創(chuàng)建高度標準化的影響單元。通過實時成像技術(shù)，可以追蹤單個影響事件的全過程，包括病原體附著、內(nèi)化、細胞內(nèi)復(fù)制和細胞裂解等關(guān)鍵步驟。這種單細胞分辨率的研究揭示了群體水平測量所掩蓋的異質(zhì)性，例如在同一群體中，不同宿主細胞對影響的響應(yīng)可能存在明顯差異。此外，通過調(diào)節(jié)液滴內(nèi)的微環(huán)境，如免疫因子濃度或藥物存在，能夠評估這些因素對影響結(jié)局的影響。這些研究為理解影響生物學提供了新視角，也為抗影響藥物篩選提供了更加精細的平臺。 該系統(tǒng)通過皮升級液滴封裝，將細胞培養(yǎng)與篩選的樣本消耗量降至前所未有的水平。

    在代謝產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)與作用機制研究這一傳統(tǒng)領(lǐng)域，液滴培養(yǎng)組學帶來了顛覆性的創(chuàng)新思路。面對病原微生物耐藥性日益嚴峻的全球挑戰(zhàn)，從復(fù)雜環(huán)境樣本或合成化合物庫中快速篩選新型代謝產(chǎn)物變得至關(guān)重要。液滴系統(tǒng)通過將單個環(huán)境微生物（如土壤細菌）與報告病原菌共同包裹在微滴中，構(gòu)建了海量的“生產(chǎn)者-指示者”對。在共培養(yǎng)過程中，如果生產(chǎn)者菌株能夠分泌抑制或殺死報告病原菌的活性物質(zhì)，其所在的微滴便會通過報告菌的熒光減弱或形態(tài)變化等讀出信號被識別。隨后，這些“命中”的液滴可以被分選出來，用于活性化合物的分離與鑒定。這種基于共培養(yǎng)的策略，不僅顯著提高了篩選通量、降低了試劑消耗，更重要的是它能夠直接挖掘微生物之間在自然狀態(tài)下存在的拮抗相互作用，更容易發(fā)現(xiàn)具有新穎結(jié)構(gòu)或作用機制的活性先導化合物。此外，該系統(tǒng)同樣適用于研究代謝產(chǎn)物對病原菌的作用機理：將藥物與單個細菌包裹，通過長時間活細胞成像，可以在單細胞水平精確觀察藥物誘導的形態(tài)變化、生長抑制或殺滅動力學，揭示異質(zhì)性的耐藥應(yīng)答，為理解耐藥性產(chǎn)生機制和開發(fā)聯(lián)合用藥策略提供寶貴的動態(tài)數(shù)據(jù)。 該技術(shù)為開發(fā)基于活細胞的生物傳感器提供了高性能的元件篩選平臺。上海高通量液滴培養(yǎng)組學系統(tǒng)

液滴培養(yǎng)組學是連接單細胞基因組學與微生物組功能研究的重要橋梁技術(shù)。上海高通量液滴培養(yǎng)組學系統(tǒng)

    在環(huán)境微生物研究中，液滴培養(yǎng)系統(tǒng)為探究微生物與環(huán)境因子的相互作用提供了理想平臺。通過將環(huán)境樣本與不同濃度的污染物或特定底物混合封裝在液滴中，可以研究微生物群落對環(huán)境污染物的響應(yīng)和降解能力。該系統(tǒng)特別適用于研究稀有微生物種群的功能，因為這些微生物在傳統(tǒng)培養(yǎng)中往往被優(yōu)勢種群掩蓋。利用功能熒光探針，可以監(jiān)測液滴內(nèi)微生物的代謝活性和膜完整性，評估環(huán)境污染物的微生物毒性效應(yīng)。此外，通過改變液滴內(nèi)的物理化學條件（如pH、溫度、氧化還原電位），可以研究環(huán)境因子對微生物生長和代謝的調(diào)控作用。近年來，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于石油污染物降解菌、重金屬耐受菌等特殊功能微生物的篩選和特性研究。與基因組學分析結(jié)合，還能在單細胞水平上關(guān)聯(lián)微生物的功能特征和系統(tǒng)發(fā)育信息，為環(huán)境微生物資源的開發(fā)利用提供重要依據(jù)。 上海高通量液滴培養(yǎng)組學系統(tǒng)

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