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科研进展
近日，青岛能源所单细胞中心与宝洁新加坡创新研发中心、青岛星赛生物科技有限公司合作，成功开发出一种基于微流控芯片的实验进化系统。该系统能够快速建立高密度细胞群体，诱导微生物的群体感应，将微生物耐药性的进化时间由传统方法的数周到数月缩短为48小时以内，为新型抗生素、防腐剂等抗菌药物的筛选，以及耐药性风险评估提供了全新工具。相关成果发表于国际权威期刊《分析化学》（Analytical Chemistry）。
图1 基于芯片的耐药性快速进化系统
微生物的耐药性是全球公共卫生的重大威胁，每年约有70万人因抗生素耐药失去生命。了解微生物耐药性，理解其背后的进化动态和遗传机制，评估耐药发生风险，对于遏制耐药性的蔓延具有重要意义。实验进化是指在实验室环境中，通过人为控制变量和条件，模拟自然选择过程，对生物体的进化过程进行观察和分析的一种方法。该过程可以加速微生物对抗生素的适应与进化，不仅能够挖掘潜在的抗菌分子，还能帮助科学家理解细菌耐药机制，为发现和优化具备更高效抗菌活性的新型抑菌剂提供有效路径。缩短依赖于传统宏观培养策略的实验进化所需时间，使微生物在人工条件下快速产生抗性，不仅能缩短研发周期，降低开发成本，还能更高效的深入理解微生物对抗菌药物的适应机制，从而推动抗菌药物的创新。
单细胞中心徐腾、代娅婕、葛安乐带领的研究团队开发了一套加速版的芯片式实验进化系统，旨在借助微生物群体感应效应迅速建立高密度细胞群体，以加速实验进化。该系统主要包括用于宏观孵育的毫升级腔体和用于浓缩菌团的皮升级富集微通道，为微生物提供了两种截然不同的培养环境。通过微流控离心技术，可以在富集通道末端快速创建高密度微生物聚集体（约1012 cell/mL）。实验结果表明，该系统能够维持大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌在暴露于三氯生、环丙沙星和阿米卡星时的生长和增殖，其抗菌浓度比初始最小抑菌浓度（MIC）高出10至20倍，经过48小时的培养，实验菌株MIC可增加至128倍。此外，RNA测序结果进一步显示，该芯片的培养环境能够迅速诱导基因表达发生变化，尤其是涉及群体感应、细菌趋化、生物膜形成和鞭毛组装相关的基因。此外，研究人员通过耦合重水标记的拉曼光谱技术，发现在高浓度抑菌压力下，聚集状态的细菌表现出比分散状态更高的代谢活性。说明该系统不仅能够加速细菌的快速进化，还实现了实验过程的微型化，显著减少了试剂的使用。因此，系统在新型抗生素、防腐剂等抗菌药物的筛选，以及耐药性风险评估方面具有巨大的应用潜力。
该工作由单细胞中心马波研究员、徐健研究员与宝洁新加坡创新研发中心的刘吉泉首席研究员主持指导完成，由孙鲁阳研究员等提供支持，得到了中国科学院-宝洁创新合作框架iMicroCare、国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c04482
供稿： 单细胞中心
文/图： 徐腾 /刘阳
编辑： 科学传播处
审核： 科学传播处
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