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Method Article
Ce protocole décrit comment utiliser le système omiques de culture de gouttelettes de microlitres unicellulaires (cellule MISS) pour effectuer l’isolement, la culture et la cueillette monoclonales microbiennes. La cellule MISS réalise un flux de travail intégré basé sur la technologie microfluidique des gouttelettes, qui offre une excellente monodispersité des gouttelettes, une culture parallèle élevée et une détection de la biomasse à haut débit.
Les cultures bactériennes pures sont essentielles pour l’étude de la culturomique microbienne. Les méthodes traditionnelles basées sur des plaques solides, des plaques de puits et des microréacteurs sont entravées par des procédures lourdes et un faible débit, ce qui entrave les progrès rapides de la recherche sur la culturomique microbienne. Pour relever ces défis, nous avons réussi à développer le système omiques de culture de gouttelettes de microlitres à cellule unique (cellule Miss), une plateforme automatisée à haut débit qui utilise la technologie microfluidique des gouttelettes pour l’isolement, la culture et le criblage des monoclonaux microbiens. Ce système peut générer un grand nombre de gouttelettes unicellulaires et cultiver, cribler et collecter des colonies monoclonales en peu de temps, facilitant ainsi un processus intégré allant de l’isolement microbien à la cueillette. Dans ce protocole, nous avons démontré son application en utilisant l’isolement et la culture du microbiote intestinal humain comme exemple et avons comparé l’efficacité de l’isolement microbien, les performances de la culture monoclonale et le débit de criblage à l’aide de la méthode de culture sur plaque solide. Le flux de travail expérimental était simple et la consommation de réactifs était très faible. Par rapport aux méthodes de culture sur plaque solide, la cellule MISS pourrait cultiver une plus grande diversité d’espèces de microbiote intestinal, offrant un potentiel et une valeur significatifs pour la recherche sur la culturomique microbienne.
La culturomique microbienne a de nombreuses applications dans la recherche sur les microbes bénéfiques dans l’industrie alimentaire, la diversité des microbes environnementaux, le dépistage de nouveaux composés antimicrobiens et le microbiome humain en relation avec la maladie 1,2,3,4. Les méthodes traditionnelles, principalement basées sur des plaques solides, des plaques de puits ou des micro-réacteurs pour obtenir et prélever des colonies monoclonales, sont faciles à utiliser mais souffrent d’un faible débit en raison de leurs multiples étapes. Cette limitation entrave des applications telles que le criblage de mutagénèse microbienne, les études de culturomique microbienne et la sélection de colonies à haut rendement, qui nécessitent toutes un criblage monoclonal approfondi.
Récemment, divers dispositifs de détection et de distribution de cellules uniques ont été conçus pour améliorer considérablement la vitesse de traitement des échantillons microbiens, tout en réduisant la main-d’œuvre et en minimisant les erreurs de manipulation manuelle5. Cependant, ces instruments ne traitent généralement que des étapes spécifiques dans le cadre des méthodes traditionnelles, nécessitant souvent une intégration poussée de l’équipement, occupant un espace important et engageant des coûts élevés. Par conséquent, il était urgent de développer une plate-forme de culture et de criblage microbiens peu coûteuse et universellement applicable pour compenser les lacunes mentionnées ci-dessus.
Dans le cadre de nos travaux précédents, nous avons développé avec succès une plateforme de criblage automatisée à haut débit, connue sous le nom de Single-cell Microliter-droplet Culture Omics System (MISS cell, ci-après dénommée « le système Omics »)6. Cette plate-forme utilise la technologie microfluidique des gouttelettes, qui promet d’atteindre l’automatisation et l’intégration dans l’isolation, la culture et la cueillette microbiennes 7,8,9,10. Le système Omics comprend plusieurs modules clés, notamment un module d’échantillonnage, une puce microfluidique, un système de détection et de collecte de gouttelettes, permettant l’isolement, la culture, le criblage monoclonal et la collecte efficaces de cellules uniques dans la recherche en microbiologie. Nous avons déjà utilisé le système Omics pour réaliser un criblage par mutagénèse à haut débit de Corynebacterium glutamicum6.
En raison de l’automatisation et des capacités de criblage à haut débit du système omique, son application à la culturomique microbienne devrait permettre d’obtenir rapidement une grande quantité de données microbiennes. Dans ce protocole, nous avons introduit la procédure opérationnelle détaillée de la cellule MESL, avec l’isolement et la culture du microbiote intestinal humain comme exemple pour démontrer le processus d’isolement, de culture, de détection monoclonale et de criblage de cellules uniques microbiennes. Le fonctionnement du système Omics est simple, et les chercheurs n’ont qu’à suivre les instructions du logiciel pour l’installation séquentielle des microtubes et de la puce microfluidique de génération de gouttelettes, le réglage des paramètres et la préparation des échantillons.
Dans l’interface de fonctionnement du logiciel, le système Omics est divisé en trois fonctions principales : l’isolation, la culture et le dépistage. Les chercheurs peuvent sélectionner différentes étapes en fonction de l’expérience. De plus, lors de l’étape de criblage des gouttelettes, les chercheurs peuvent choisir entre deux modes de détection : le signal fluorescent ou la densité optique. Le logiciel permet de visualiser en temps réel le processus de dépistage des gouttelettes. Enfin, les chercheurs ont la possibilité de configurer des paramètres tels que les conditions de culture, la longueur d’onde détectée et le nombre de puits de collecte en fonction de leurs demandes expérimentales spécifiques, et ils peuvent mettre l’instrument en pause à tout moment pour effectuer d’autres opérations. La cellule MISS est une plate-forme de criblage monoclonal à haut débit, respectueuse des microbes, avec un fonctionnement simple et une consommation minimale de réactifs.
Toutes les procédures d’étude sont conformes à toutes les réglementations éthiques en vigueur. Les procédures ont été approuvées par le Comité d’éthique des sciences et des technologies de l’Université Tsinghua. Pour l’étude du microbiote intestinal humain, des échantillons de selles ont été prélevés chez un adulte en bonne santé sans condition médicale importante, qui a donné un consentement éclairé écrit.
1. Installation de l’instrument
2. Préparatifs
3. Génération de gouttelettes
4. Culture de gouttelettes
5. Criblage de gouttelettes
6. Exportation des données et affichage des cartes thermiques
7. Nettoyage de la cellule MISS
8. Sauvegarde monoclonale microbienne et préparation de l’échantillon de séquençage
On estime que le microbiote intestinal humain, qui constitue la communauté microbienne prédominante, abrite environ 4 ×10 13 micro-organismes dans l’intestin, ce qui met en évidence son grand nombre et sa composition complexe11. Dans cette étude, nous avons cherché à isoler et à cultiver le microbiote intestinal et avons utilisé la méthode de la plaque solide comme contrôle pour démontrer les performances à haut débit de la cellule MISS....
Ce protocole décrit le fonctionnement de la cellule MISS pour l’isolement, la culture, la détection et la collecte monoclonaux microbiens automatisés et à haut débit. Par rapport aux méthodes traditionnelles par lesquelles seulement ~20 à 30 % du microbiote intestinal pouvait être isolé et cultivé 2,12, le nombre de clones monoclonaux obtenus à l’aide du système omiques était 1,97 fois plus élevé que ceux obten...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Cette étude a été soutenue par les projets de recherche et développement dans des zones clés de la province du Guangdong (2024B1111130002), les projets de recherche et développement de la province du Hebei (22375503D) et le projet d’ouverture du laboratoire d’ingénierie de l’Anhui pour la sélection moléculaire de microbiologie industrielle (subvention ELMB-07).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 mm Petri dish | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | P5731-500EA | For solid plate preparation |
30 mL Stool Containers | Boen Healthcare Co., Ltd | 611101 | For collecting the stool samples |
37 °C constant temperature incubator | Shanghai Yiheng Technology Co., Ltd. | LRH-150 | Cultivate the solid plate in the incubator |
96-well Clear Flat Bottom Polystyrene TC-treated Microplates | Corning | 3599 | For well plate movement detection and droplet collection |
Agar | Becton, Dickinson and Company | 214010 | For solid plate preparation |
Air bubble removal oil | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISS cell-S-oil | The oil in the air bubble remover during droplet screening |
Air bubble remover | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISS cell-S | Exclude the gas phase between droplets before performing droplet detection and collection |
Anaerobic bench | Argon and Nitrogen Space Equipment Business Department, Haiyu Town, Changshu City | VGB-4CM | For aseptic operation and UV sterilization under anaerobic condition |
Autoclave | Puhexi Health and Medical Equipment Co., Ltd. | MLS-830L | For autoclaving BHI medium, EP tube, and so on. |
Brain Heart Infusion (BHI) Broth | Qingdao High-tech Industrial Park Haibo Biotechnology Co., Ltd | HB8297-1 | Components of the BHI medium The ingredient list: 38.5 g/L BHI Broth in distilled water |
Cell Spreader | Merck KGaA, Darmstadt, Germany | HS8151 | Inoculate the microbial solution onto the solid plate |
Centrifuge tube, 15 mL | Beijing Xinhengyan Technology Co., Ltd | HB53397 | For microbial solution preparation |
Computer | Lenovo | E450 | Software installation and MISS cell control |
Cryovial | Thermo Fisher | 2.0 mL | For stool preservation |
Distilled water | Beijing Mreda Technology Co., Ltd. | M306444-100ml | Add into humidifier to keep the humidity in droplet cultivation chamber |
EP tube | Thermo Fisher | 2.0 mL | For collecting the stool samples |
Fluorescent inverted microscope | Olympus Life Science (LS) | CKX53 | Check and calculate the microbial concentration |
Glycerol | GENERAL-REAGENT | G66258A | For strain preservation |
Hemocytometer | Acmec | AYA0810-1ea | Calculate the microbial concentration |
KCl | Ambeed | A442876 | Components of phosphate buffered saline (PBS solution)The ingredient list: 8 g/L NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na2HPO4, 0.24 g KH2PO4 in distilled water |
KH2PO4 | MACKLIN | P815661 | Components of phosphate buffered saline (PBS solution)The ingredient list: 8 g/L NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na2HPO4, 0.24 g KH2PO4 in distilled water |
Mesh filter | Anping Jiufeng Wire Mesh Manufacturing Co., Ltd | 200 mesh (0.075 mm), 400 mesh (0.038 mm), 800 mesh (0.018 mm) | Remove undigested food and smaller particulate matter from the stool samples |
Micro-tubing and droplet generation microfluidic chip | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISC-B2 | For droplet generation and droplet incubation |
MISS cell oil | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISS cell-BOS-B | The oil phase for droplet microfluidics |
MISS cell software | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISS cell V3.2.4 | Perform experimental operations on the MISS cell instrument |
Na2HPO4 | Solarbio | D7292 | Components of phosphate buffered saline (PBS solution)The ingredient list: 8 g/L NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na2HPO4, 0.24 g KH2PO4 in distilled water |
NaCl | GENERAL-REAGENT | G81793J | Components of the physiological saline solution The ingredient list: 9 g/L NaCl in distilled water |
Pipette | eppendorf | 2.5 μL, 10 μL, 100μL, 1000μL | For liquid handling |
Polytetrafluoroethylene tube | Shenzhen WOER Heat-shrinkable Material Co., Ltd. | 3401000141 | For droplet incubation. This material was already included in micro-tubing and droplet generation microfluidic chip |
Sample bottle | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISS cell-bottle | Sampling of microbial solution |
Single Cell Microliter-droplet Culture Omics System (MISS cell) | Luoyang TMAXTREE Biotechnology Co., Ltd. | MISS cell-G3f | Performing the microbial monoclonal isolation, cultivation, detection and collection |
Superspeed Centrifuge | Thermo Fisher | Sorvall Lynx 4000 | Prepare the microbial solution for sequencing |
Syringe | Jiangsu Zhiyu Medical Instructment Co., Ltd | 10 mL | Draw the distilled water and inject it into the humidifier in droplet cultivation chamber |
Ultra low temperature refrigerator | SANYO Ultra-low | MDF-U4086S | For strain preservation (-80 °C) |
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