用于增强微生物物种间DNA转移的新型液滴微流控平台设计

利用各种合成生物学工具和方法进行微生物工程已经取得了重大进展。然而，将DNA导入非模型新型底盘生物，特别是那些未定性的生物，仍然是推进该领域技术发展的主要障碍。有几种常用的将DNA导入微生物的有效方法，包括化学感受态、原生质体、电穿孔和大肠杆菌介导的共轭。然而，这些方法只适用于少数驯化的底盘微生物，因此限制了可作为合成生物学宿主细胞的微生物范围。

为了解决这一障碍，Brophy 等人开发了一种基于广泛宿主共轭的DNA转移工具，名为XPORT（图1）。在这种方法中，包括枯草芽孢杆菌内源性整合与共轭元件（ICE）在内的共轭机制被设计用于将基因回路可控地传递到非传统和未驯化的底盘细菌中。虽然XPORT为非驯化细菌工程学引入了一种前景广阔的方法，但其广泛和实际应用仍面临一些挑战。首先，XPORT介导的共轭需要DNA供体细胞和受体细胞直接物理接触，以促进DNA转移，因此供体细胞和受体细胞的比例通常必须相当高（>10⁴：1），才能确保成功。其次，共轭效率取决于供体细胞与受体细胞的比例以及共培养时间，这需要通过多次实验来确定最佳 DNA转移条件，这非常耗时耗力。最后，XPORT介导的DNA转移方法仅适用于某些细菌物种，特别是那些具有与供体菌株相似的遗传背景的物种。对于其他物种，可能需要对XPORT系统进行修改或开发新的系统。

图1 XPORT介导的共轭原理示意图

为解决上述挑战，近期，美国作战能力发展司令部陆军研究实验室（DEVCOM ARL）的研究人员开发了一种名为DNA ENTRAP的液滴微流控平台，用于增强工程枯草芽孢杆菌（XPORT）介导的DNA转移。相关研究以“XPORT ENTRAP: A droplet microfluidic platform for enhanced DNA transfer between microbial species”为题，发表在New Biotechnology期刊上。

图2基于液滴微流控技术的DNA转移工作流程

液滴微流控平台通过将供体和受体细胞封装在微小的油包水乳液液滴中，使得细胞之间距离更近。这种物理上的接近增加了成功共轭的潜力，从而提高了基因转移的速率。此外，该平台允许对实验参数进行精确控制（例如供体-受体细胞比例和共培养时间），通过优化这些参数，可以最大化DNA转移的效率，减少实验的时间和资源消耗。其次，微液滴内部呈现混沌对流特性，下游的蛇形混合模块通过增加流体的混合程度进一步增强了细胞内部的混合，提高了细胞间接触的机会并扩大了接触面积，有利于基因的成功转移。此外，该平台具有自动化特性，可以进行高通量实验和筛选。自动化的实验流程有利于大幅提高实验效率，同时减少操作失误的可能性，从而增强DNA转移的效率。研究人员使用枯草杆菌测试了这种微流控DNA ENTRAP系统与传统台式XPORT共轭方案相比的可行性和效率。研究结果发现，XPORT介导的基因转移比目前的台式XPORT过程更强。

图3 两种不同供体与受体细胞比例下的液滴内DNA共轭与台式系统共轭效率的比较

综上所述，该研究开发的DNA ENTRAP液滴微流控平台为实现XPORT介导的基因转移过程的简化和自动化以及未来的高通量细胞工程和筛选应用铺平了道路。它有可能提高我们对各种微生物进行基因改造的能力，并迅速加速驯化这些尚未开发的微生物，以用于广泛的生物技术和生物制造应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nbt.2024.02.003

审核编辑：刘清