在酶工程領(lǐng)域，傳統(tǒng)的平板篩選法一直是科研人員的常用手段。然而，這種方法存在著諸多局限性?？蒲腥藛T需要逐一培養(yǎng)和檢測酶，這一過程就像在茫茫大海中撈針，不僅要投入大量的時(shí)間和精力，且效率較為低下。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)人工方法進(jìn)行篩選耗時(shí)較長，最終還可能得不到一個(gè)好的突變體，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
天木生物的微流控裝備就像一位擁有超凡能力的“篩選專家"，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)對海量的酶樣本進(jìn)行高效處理，極大地提高了篩選效率。舉例來說，如果傳統(tǒng)方法一天只能處理幾十個(gè)樣本，那么微流控技術(shù)一天可以處理成千上萬個(gè)樣本。同時(shí)，它又如同一位目光敏銳的“觀察者"，能夠精準(zhǔn)捕捉到每個(gè)突變體的特征變化，從而精準(zhǔn)篩選出活性更高、特異性更強(qiáng)的酶。此外，天木微流控平臺具備高度集成化的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)酶篩選過程的自動(dòng)化與精準(zhǔn)化控制，減少人為因素的干擾，提高篩選結(jié)果的可靠性。
目前四款微流控設(shè)備已發(fā)表案例的應(yīng)用方向匯總
接下來，從天木生物微流控設(shè)備助力發(fā)表的眾多科研成果中，選取兩篇典型案例，深入探討其在酶工程領(lǐng)域的應(yīng)用與落地。
文獻(xiàn)1
生物傳感器+微流控：D-阿洛酮糖合成酶活性及穩(wěn)定性的突破性改良
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(duì)基于結(jié)構(gòu)指導(dǎo)的理性設(shè)計(jì)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(gè)突變體的突變庫，并使用高通量皮升級液滴單細(xì)胞分選系統(tǒng)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(shí)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。
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
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。
人工混合液滴庫在分選過程中的時(shí)間序列圖，顯示檢測到的熒光信號及分選前液滴與分選后陽性液滴的熒光顯微圖像
文獻(xiàn)2
細(xì)菌生物傳感器+微流控：篩選獲得高活性色氨酸羥化酶，解鎖5-羥色氨酸高效生產(chǎn)
5- 羥色氨酸（5-HTP）是色氨酸代謝的中間產(chǎn)物，也是神經(jīng)遞質(zhì)血清素的前體，具有調(diào)節(jié)情緒、改善睡眠、控制食欲等作用。與植物提取或化學(xué)合成相比，生物合成5-HTP具有成本低、效率高的優(yōu)勢。天然色氨酸羥化酶（TPH）在工業(yè)應(yīng)用中存在活性不足和穩(wěn)定性差的問題，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)。本研究通過開發(fā)一種基于高通量皮升級液滴單細(xì)胞分選系統(tǒng)DREM cell的微流控液滴分選平臺（DTSP），結(jié)合細(xì)菌生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對TPH突變體的高效篩選。
天津大學(xué)秦慧民教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了兩種細(xì)菌，一種酶生產(chǎn)菌（EPB）用于表達(dá)TPH突變體，一種檢測菌（DB）用于檢測L-色氨酸（L-Trp）的濃度。液滴內(nèi)封裝單個(gè)EPB細(xì)胞，進(jìn)行L-Trp到5-HTP的轉(zhuǎn)化后，再向液滴內(nèi)注入檢測菌后，根據(jù)剩余L-Trp的熒光信號分選n高活性突變體，檢測其耐熱性和活性，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
基于液滴的超高通量微流控篩選平臺（DTSP）
使用迭代飽和突變（ISM）對TPH進(jìn)行定向進(jìn)化，通過多輪定點(diǎn)突變篩選，獲得關(guān)鍵突變體M4-1（D129L/Q132M/P103A/T236K），催化活性提升4.25倍，熱穩(wěn)定性提高3.2倍。液滴微流控篩選系統(tǒng)每小時(shí)可篩選36萬個(gè)突變體，篩選效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，在大規(guī)模突變庫的篩選過程中有顯著優(yōu)勢。
基于細(xì)菌生物傳感器的5-HPE高通量微流控液滴分選通用流程示意圖(A)突變體文庫的封裝和培養(yǎng)(B) DB細(xì)胞注射及液滴培養(yǎng)(C)陽性液滴分離
這些已發(fā)表的實(shí)際案例，能夠讓我們更直觀地感受到微流控技術(shù)在酶工程領(lǐng)域的巨大潛力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這些案例不僅可以為科研工作者提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和借鑒，還能為該技術(shù)在更多場景的應(yīng)用提供思路和方向。
相信隨著對天木生物微流控裝備實(shí)際案例的深入剖析，我們將進(jìn)一步解鎖其在酶工程領(lǐng)域的無限可能，推動(dòng)酶工程研究邁向新的高度，為生物科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力，讓更多基于酶工程的創(chuàng)新成果造福人類社會。讓我們一同期待在后續(xù)的案例探究中，發(fā)現(xiàn)更多令人驚喜的技術(shù)突破和應(yīng)用成果。
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