基于液滴的微生物单细胞基因组学为研究微生物多样性提供了强有力的工具。该方法通过将单个微生物细胞分离到单独的液滴中，在液滴内进行细胞裂解、基因组扩增和测序文库构建等一系列操作。这种单细胞水平的分析避免了传统宏基因组学中基因序列组装的不确定性，能够直接获得完整的微生物基因组信息。特别对于不可培养的微生物，这种方法能够揭示其遗传特征和代谢潜能。技术在于每个液滴都是一个单独的反应器，通过微流控控制实现试剂添加和反应条件调节。近年来发展的多重置换扩增技术提高了单细胞基因组的覆盖度，减少了扩增偏倚。该系统还允许在基因组分析前对液滴内的微生物进行表型筛选，例如根据代谢活性或底物利用能力对液滴进行分选，实现功能与基因型的关联分析。这在微生物群落功能研究中尤为重要，能够直接将特定的代谢功能与特定的微生物种群联系起来。
液滴培养组学以其高通量、低成本的优势，成为生命科学研究的关键平台技术。青岛自动分选液滴培养组学系统
该系统彻底改变了传统微生物培养的局限，通过单细胞封装技术有效消除种间竞争与生长速率差异的干扰，成为稀有及难培养微生物分离的关键工具。在土壤微生物分离实验中，利用天木生物 MISS cell 系统对 60882 个液滴进行培养分选，成功获得 5628 个带菌液滴，鉴定出 86 种微生物，较传统平板培养的 73 种高出 17.8%，其中包含布鲁氏菌、缺陷短波单胞菌等 50 多种平板无法培养的菌株。微流控平板划线（MSP）技术进一步提升了分离效率，其生成的液滴阵列不仅支持显微镜实时观察，还能将培养时间从传统平板的 16 小时缩短至 12 小时，同时使单菌落测序杂合峰比例保持在 4.35% 的高质量水平，与平板培养结果基本一致。这种技术突破使环境中 99% 以上的 "不可培养微生物" 成为可研究对象。青岛自动分选液滴培养组学系统利用电润湿等技术对液滴进行操控，实现了单个细胞的按需提取与转移。
基于活性的筛选是发现新型生物活性分子的关键，液滴培养组学将这种筛选的通量和效率提升到了新的高度。其要素在于将微生物的培养与其产生的特定活性在微液滴中直接关联起来。首先，将单个微生物细胞与适宜的培养基封装，进行原位培养。待其生长后，可以通过微流控操作向液滴内注入特定的底物或指示系统。例如，为了筛选产酶菌株，可以向液滴中加入荧光标记的底物类似物，如果微生物分泌了目标酶（如蛋白酶、脂肪酶、角质酶），它就会切割底物释放出荧光信号，该液滴随即被标记为阳性。为了筛选活性，可以将测试菌株与一种报告菌（如金黄色葡萄球菌）共封装，或者先培养测试菌株，随后注入报告菌和指示剂（如刃天青），通过报告菌的生长抑制或代谢活性变化来识别相关物质的产生。整个流程可以实现完全自动化和高通量化，每天可以筛选数百万个微生物克隆。由于液滴体积微小，阳性液滴中的代谢产物相对浓缩，也便于后续通过联用的质谱仪进行快速鉴定。这种“培养-筛选-分选-分析”的一体化平台，省略了繁琐的菌落挑取和发酵步骤，极大地加速了从环境样本中发现新型酶制剂、药物等先导化合物的进程。
微生物进化实验因液滴培养系统的应用而实现了前所未有的规模与控制水平。研究微生物在特定条件下的适应性进化对于理解进化动力学和预测微生物在自然环境中的变化至关重要。传统进化实验通常在大体积培养瓶中进行，难以控制种群结构和环境参数，且通量有限。液滴微流控技术允许在数千个隔离的微环境中平行进行进化实验，每个液滴中的微生物群体经历不同的选择压力。通过定期采样和监测，可以追踪适应性突变的发生和固定过程，揭示进化路径的重复性与contingency。该系统特别适合研究空间结构种群中的进化动力学，因为液滴内的有限空间和资源创造了强烈的竞争环境。此外，通过液滴融合技术，可以定期在进化群体间引入基因流，模拟自然条件下的迁移事件。这些高度可控的大规模进化实验为了解微生物适应性进化的基本规律提供了丰富数据，也对策略设计和生物技术应用具有指导意义。 该技术通过模拟自然生境，为研究未培养微生物的生理功能开辟了新路径。
微生物在应对环境压力（如代谢产物、噬菌体、毒性物质）时，会进化出多样的适应性策略。液滴培养组学系统为在实验室中实时、高通量地研究这种进化动力学提供了强大的进化实验平台。其基本策略是在液滴中创建强烈的选择压力。例如，可以将对某种代谢产物敏感的微生物群体分散到包含亚抑菌浓度或逐渐升高浓度代谢产物的液滴中进行长期传代培养。液滴的物理隔离性使得每个液滴都成为一个单独的进化线，避免了抗性基因在群体间的水平基因转移，从而迫使微生物只能依靠自身发生的随机突变来适应压力。经过多轮生长和分选后，可以回收大量进化出的抗性菌株。通过比较这些菌株的基因组和表型，可以系统地揭示代谢产物耐药性的多种进化路径和分子机制。类似地，该系统可用于研究微生物对噬菌体的协同进化。将细菌与噬菌体共同封装，它们之间的“军备竞赛”被限制在液滴内，可以观察到细菌从敏感进化出抗性，以及噬菌体相应地进化出新抗性菌株能力的全过程。这种高通量的并行进化实验，能够生成前所未有的海量进化数据，帮助我们理解微生物适应性的遗传基础、进化重复性以及复杂性状的起源，对于预测病原菌的进化、开发新的策略以及理解生命进化的基本规律具有深远意义。 液滴培养组学是连接单细胞基因组学与微生物组功能研究的重要桥梁技术。青岛自动分选液滴培养组学系统
通过时间分辨的液滴分析，可以绘制出单细胞水平的基因表达动态图谱。青岛自动分选液滴培养组学系统
微生物代谢工程领域因液滴培养筛选系统的应用而加速发展。传统代谢工程中，评估工程菌株的性能通常需要经过繁冗的摇瓶培养或微孔板检测，通量有限且成本高昂。液滴微流控技术能够将单个工程菌株封装在液滴中，并添加特定的底物或指示剂，通过监测液滴内代谢产物的积累或荧光信号的变化，快速评估数千个工程菌株的生产性能。例如，在生物燃料生产中，可以基于液滴内脂质积累量进行高通量筛选；在酶制剂开发中，可通过荧光底物检测酶活性。更重要的是，液滴系统允许实施多轮递进式筛选策略，通过多参数排序和液滴融合等技术，逐步富集性能优异的突变体。这种基于液滴的筛选策略不仅大幅提高了筛选通量，降低了试剂消耗，还能够检测到传统方法可能遗漏的稀有高性能变种，加速了细胞工厂的构建进程。青岛自动分选液滴培养组学系统
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