食品領(lǐng)域：

誘變育種儀與適應(yīng)性進(jìn)化儀組合達(dá)成生物合成新效率

丁酸梭菌將甘油生物轉(zhuǎn)化為1,3-丙二醇（1,3-PD）的效率受限于其對多種應(yīng)激源（尤其是甘油作為底物、1,3-PD作為終產(chǎn)物以及丁酸作為副產(chǎn)物）的低耐受性，這最終降低了1,3-PD的產(chǎn)量。廣州大學(xué)齊向輝教授團(tuán)隊通過天木生物的ARTP誘變育種儀和MMC適應(yīng)性進(jìn)化儀提高丁酸梭菌對應(yīng)激源的耐受性和1,3-PD的生產(chǎn)能力,高效突破丁酸梭菌合成產(chǎn)量瓶頸。

該研究通過大氣室溫等離子體（ARTP）對野生菌株進(jìn)行誘變獲得了對160 g/L甘油具有最大耐受性的菌群，而基于微生物微滴培養(yǎng)系統(tǒng)（MMC）的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化（ALE）則培育出第二個對100 g/L 1,3-PD具有耐受性的菌群。隨后，通過對兩個菌群進(jìn)行基因組洗牌，最終獲得GJH-418菌株，其可生成60.12 g/L 1,3-PD，產(chǎn)率為1.72 g/L h。突變株與野生菌株的轉(zhuǎn)錄分析表明，8個基因可能通過上調(diào)或下調(diào)表達(dá)參與了高耐受性和高1,3-PD產(chǎn)量的調(diào)控。

基于ARTP及MMC的丁酸梭菌適應(yīng)性進(jìn)化工作流程圖

醫(yī)藥領(lǐng)域：
基因工程+適應(yīng)性進(jìn)化：乙醇耐受產(chǎn)生聚-2-羥基丁二酸新路徑

由類酵母真菌聚球芽孢酵母產(chǎn)生的聚-2-羥基丁二酸（P2HBD）是一種新型水溶性聚羥基酸，在生物材料和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。通常，以葡萄糖為碳源的有氧P2HBD發(fā)酵會通過丙酮酸脫羧生成乙酰輔酶A導(dǎo)致碳損失（釋放二氧化碳）。與糖類相比，不可發(fā)酵底物乙醇表現(xiàn)出每碳原子更高的還原度和更短的乙酰輔酶A生成路徑。

從乙醇氧化到P2HBD合成的模塊化組裝策略。藍(lán)色背景為乙醇氧化模塊（模塊I）

紫色背景為乙醛酸分流模塊（模塊II)，橙色背景為糖異生途徑模塊（模塊III)

西南大學(xué)鄒祥教授團(tuán)隊探討了以乙醇為一碳源驅(qū)動的P2HBD碳經(jīng)濟(jì)生物合成。首先發(fā)現(xiàn)乙醇可通過生物合成機(jī)制高效轉(zhuǎn)化為P2HBD，并特異性激活轉(zhuǎn)錄因子Cat8來調(diào)控聚球芽孢酵母中的乙醛酸分流?；谝掖济{迫下的轉(zhuǎn)錄組分析，設(shè)計了一種模塊化組裝策略以平衡乙醇氧化、乙醛酸分流和糖異生途徑三個模塊，并通過啟動子工程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。此外，還通過MMC系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性進(jìn)化策略提高了乙醇耐受性,使菌株能夠適應(yīng)更高的濃度，轉(zhuǎn)化更多的產(chǎn)物。該共表達(dá)菌株在乙醇作為一底物時展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。

最終獲得突變株EGG 47，在5升發(fā)酵罐中，靜息細(xì)胞發(fā)酵實(shí)現(xiàn)了P2HBD滴度與產(chǎn)率的相當(dāng)性——分別為66.7 ± 0.77 g/L和0.87 g/g乙醇。研究結(jié)果為第三代生物精煉廠從乙醇基質(zhì)到生物聚合物和化學(xué)品的碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供了新的見解。

 液滴生長曲線與MMC系統(tǒng)中乙醇濃度變化關(guān)系圖

氨基酸/多肽領(lǐng)域：

高產(chǎn)酪氨酸菌株低pH馴化提高工業(yè)化潛力

L-酪氨酸是一種芳香族非必需氨基酸，是左旋多巴、白藜蘆醇和羥基酪醇等許多重要化學(xué)產(chǎn)品的原料。它在食品、制藥和化工行業(yè)廣泛應(yīng)用。盡管已有大量關(guān)于微生物合成L-酪氨酸的研究，但其低濃度特性限制了工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

為提高大腸桿菌中L-酪氨酸的產(chǎn)量，江南大學(xué)周哲敏教授團(tuán)隊上調(diào)或下調(diào)了莽草酸途徑中關(guān)鍵酶的表達(dá)水平。通過改進(jìn)L-酪氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和乙酸生物合成途徑，進(jìn)一步提升了產(chǎn)量。此外，結(jié)合輔因子工程引入磷酸酮酶途徑，將碳通量導(dǎo)向莽草酸途徑。

從葡萄糖中生物合成L-酪氨酸

最終，經(jīng)過適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化以適應(yīng)低pH環(huán)境后，獲得了優(yōu)菌株。該菌株可在62小時內(nèi)于5升發(fā)酵罐中生產(chǎn)92.5克/升L-酪氨酸，產(chǎn)率為0.266克/克葡萄糖。

 適應(yīng)性進(jìn)化后的菌株在不同pH下的生長情況和L-酪氨酸積累量

釀酒領(lǐng)域：

釀酒酵母新型篩選策略，酒液風(fēng)味與品質(zhì)新突破

中國白酒固態(tài)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的高濃度乳酸會抑制釀酒酵母的生長代謝，進(jìn)而影響酒液風(fēng)味與品質(zhì)。南昌大學(xué)付桂明教授團(tuán)隊采用大氣室溫和等離子體（ARTP）聯(lián)合自動高通量微生物微滴培養(yǎng)系統(tǒng)（MMC），篩選出耐受高濃度乳酸的釀酒酵母菌株。

 不同乳酸濃度下突變株的適應(yīng)性進(jìn)化結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在4%乳酸脅迫條件下，三種耐乳酸菌株的生長速率、細(xì)胞完整性、乙醇生產(chǎn)能力及揮發(fā)性香氣成分含量均顯著優(yōu)于原始菌株NCUF309.5。特別值得注意的是，經(jīng)ARTP處理并結(jié)合MMC適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化獲得的NCUF309.5-44菌株，在4%乳酸脅迫下24小時后OD值提升93.65%，乙醇含量增加2.29倍，且經(jīng)過10次連續(xù)傳代后仍保持穩(wěn)定。此外，其揮發(fā)性化合物含量提升60.69%。綜上所述，本研究為開發(fā)耐乳酸釀酒酵母提供了新型篩選策略，并為固態(tài)白酒發(fā)酵用微生物選育奠定了重要基礎(chǔ)。

微生物資源挖掘：

液滴培養(yǎng)體系革新微生物培養(yǎng)，助力微生物資源挖掘

 純細(xì)菌培養(yǎng)物對于微生物培養(yǎng)組學(xué)的研究至關(guān)重要?；诠腆w平板、微孔板和微反應(yīng)器的傳統(tǒng)方法受到操作繁瑣和通量低的限制，阻礙了微生物培養(yǎng)組學(xué)研究的快速進(jìn)展。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，清華大學(xué)張翀教授團(tuán)隊成功開發(fā)了單細(xì)胞微升級液滴培養(yǎng)組學(xué)系統(tǒng)（MISS cell），這是一個利用液滴微流控技術(shù)進(jìn)行微生物單克隆分離、培養(yǎng)和篩選的自動化高通量平臺。該系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)生成大量單細(xì)胞液滴，并對單克隆菌落進(jìn)行培養(yǎng)、篩選和收集，實(shí)現(xiàn)了從微生物分離到挑取的一體化流程。

在本方案中，我們以人體腸道微生物群的分離和培養(yǎng)為例展示了該系統(tǒng)的應(yīng)用，并將其與固體平板培養(yǎng)法在微生物分離效率、單克隆培養(yǎng)性能和篩選通量方面進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)流程簡單，試劑消耗極低。與固體平板培養(yǎng)法相比，MISS cell 能夠培養(yǎng)出更多樣化的腸道微生物物種，為微生物培養(yǎng)組學(xué)研究提供了巨大的潛力和價值。

 MISS 細(xì)胞中腸道微生物的單克隆分離與培養(yǎng)結(jié)果

(A) 腸道微生物群分離、培養(yǎng)和鑒定的工作流程圖

(B、D) 腸道微生物群分離培養(yǎng)獲得的單克隆菌落的科水平分析

(C、E) 腸道微生物群分離培養(yǎng)獲得的單克隆菌落的屬水平分析

酶工程領(lǐng)域：

微流控技術(shù)帶來酶活性及穩(wěn)定性突破性改良

D-阿洛酮糖是一種低熱量稀有酮己糖，具有降血糖、抗氧化等生理功能，是食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的熱門替代甜味劑。其生物合成依賴于酮糖3-差向異構(gòu)酶（KEases），但現(xiàn)有酶存在催化效率低、穩(wěn)定性差等問題，限制了工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用，急需開發(fā)催化效率更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)的KEases。傳統(tǒng)篩選方法（如色譜分析、微孔板篩選）效率低，難以滿足超高通量突變體庫的篩選需求。

天津科技大學(xué)秦慧民教授團(tuán)隊基于結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的理性設(shè)計和定向進(jìn)化，對D-阿洛酮糖3-差向異構(gòu)酶（SfDAE）進(jìn)行改造，構(gòu)建了包含約200萬個突變體的突變庫，使用天木生物的液滴微流控分選平臺DREM cell結(jié)合D-阿洛酮糖響應(yīng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的遺傳編碼生物傳感器，用于實(shí)時監(jiān)測D-阿洛酮糖生成量，分選獲得高產(chǎn)菌株，擴(kuò)大培養(yǎng)后進(jìn)行酶活檢測。

經(jīng)過多輪FADS的分選，最終鑒定出突變體M3-2，其催化效率比野生型SfDAE提高了17倍。突變體M3-2在D-果糖異構(gòu)化為D-阿洛酮糖的反應(yīng)中表現(xiàn)出更高的催化效率和熱穩(wěn)定性。

DAEase突變體文庫構(gòu)建以及基于液滴的微流控篩選流程及采用高效液相色譜法進(jìn)行的DAEase活性檢測
天木生物始終堅信，體系創(chuàng)新能夠帶來無限可能！我們深耕液滴微流控技術(shù)，不僅是為了打造精密的國產(chǎn)科學(xué)儀器，更是為了給每一位奮戰(zhàn)在生命科學(xué)前沿的科研工作者提供“利器”，助力您更快地篩選、更優(yōu)地培育，共同推動從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的跨越。

這份成果匯編只是一個開端，接下來，我們將不定期地深入每一個垂直領(lǐng)域，為您詳細(xì)地分享與解讀：

1、那些發(fā)表在期刊上的研究是如何利用我們的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的？

2、在酶工程、抗體藥物開發(fā)、工業(yè)菌株篩選等領(lǐng)域，微液滴技術(shù)究竟解決了哪些關(guān)鍵痛點(diǎn)？

3、我們的客戶有哪些獨(dú)到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計與成功經(jīng)驗(yàn)可以分享？

精彩陸續(xù)有來，誠邀您持續(xù)關(guān)注！如果您對哪個特定領(lǐng)域的應(yīng)用特別感興趣，歡迎在我們的評論區(qū)留言告訴我們，您的關(guān)注將是我們下一期主題的重要參考！

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