基于微流控技术的微生物筛

发布时间：2020-11-08 12:33

　　 微生物与人类的生活息息相关,例如食品、化学制品、药物、生物能源、生物材料和酶的生产经常会用到酵母、细菌和真菌等微生物。随着系统生物学、合成生物学和医学的发展,高通量筛选稀有微生物个体,高效固定微生物以及精确控制微生物产物自组装的研究,已经成为今天生物医学工程研究的重要内容之一。传统的微生物操控方法主要基于琼脂糖平板或多孔板。这些方法操作繁琐、通量低,不利于微生物细胞的精确控制。微流控技术近年来发展十分迅速,得益于其便于制作、样品消耗少、操作简单、通量高等诸多的优势。由于微流控芯片是一个微纳米级别的操作平台,尺寸上与微生物存在着较好匹配,从而微流控芯片能够作为一个很好的平台用于微生物的各项研究。本文基于琼脂糖凝胶和微流控常用材料聚二甲基硅氧烷(PDMS),探讨了功能性微生物高通量筛选、微生物高效固定以及细菌纤维素自组装的微流控新技术研究,主要研究如下:1、设计了一种基于琼脂糖凝胶的微孔阵列芯片,用于微生物单细胞在微孔中的固定及生长,探讨了在单克隆水平下功能性微生物的高通量筛选。利用绿色荧光蛋白(GFP)标记的大肠杆菌(E.coil)作为模式菌株来观察细菌细胞在不同尺寸阵列芯片上的分布和生长;利用产脂肪酶的枯草芽孢杆菌(Bacillus)作为模式菌株来探索细菌产物在琼脂糖凝胶芯片上的表达及检测。研究发现,利用琼脂糖凝胶制作的微孔阵列芯片能够快速捕获、固定细菌;在满足细菌正常生长的同时,不影响细菌产物的表达,能够满足利用荧光对相应产物进行检测,从而实现利用荧光响应来筛选微生物。2、选用微流控芯片常用材料PDMS发展了一种新颖多孔材料,用于微生物高效固定。探讨了水乳化法在低温下聚合形成PDMS材料,并利用液体石蜡油作为稀释剂,促进水在PDMS溶液中的乳化,减少乳化水滴的蒸发;经固化,可以得到具有很好的弹性和多孔性的多孔材料。研究发现,该方法合成的PDMS多孔材料,能够实现对微生物的高效固定。3、构建了一种表面结构化的PDMS多孔材料模具,用于高效控制细菌纤维素自组装形成图案化细菌纤维素。利用微流控芯片常用的软光刻技术,制作了表面结构化多孔材料图案模具;结合细菌纤维素纤维在气液交界面合成的特点,在细菌培养界面引入多孔性的图案模具,用于表面图案化细菌纤维素生物制造。研究发现,利用软光刻技术能够很好地在PDMS多孔材料底部表面形成图案,该模具能够控制细菌纤维素纤维自组装,快速地形成具有高精度的表面图案化细菌纤维素。4、发展了一种中空结构的PDMS多孔材料模具,用于控制细菌纤维素纤维自组装形成复杂三维(3D)形状细菌纤维素。利用失蜡法技术,制作了具有精细结构的、中空的多孔材料模具;结合细菌纤维素纤维在气液交界面合成的特点,在细菌培养界面引入中空的模具,利用中空模具内部的结构精确控制细菌纤维素纤维自组装,形成复杂3D形状的细菌纤维素。研究发现,失蜡法能够制造出结构复杂的、中空的多孔材料模具;该模具可以控制细菌纤维素纤维有序生长,形成耳朵、颈椎骨等复杂三维形状的细菌纤维素,该3D细菌纤维素有望进一步应用于器官移植的研究。综上所述:本文结合微流控可以灵活、精确铸造微结构的技术优势,利用微流控制造常用的琼脂糖凝胶和PDMS硅胶材料,实现了微生物高通量筛选、高效固定以及细菌纤维素表面图案化和三维形状的生物制造。这些尝试为微生物的深度工程化应用提供了新的技术方法平台。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R318.08
【部分图文】：

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文大多数微生物细胞具有较小的体积（微生物大小一般为微米级），较，这就决定了微生物细胞具有较大的代谢废物排泄、营养吸收和信息微生物细胞吸收多，转化快，能够快速将吸收营养物质转化成代谢产产各种酶、化学制剂以及生物材料提供了物质基础。生长繁殖速度快，微生物生长到固定大小以二分裂的方式进行繁殖[1件下，微生物能够快速生长繁殖，其数量每 9.8 分钟就会翻倍一次[7]。适应性强、容易发生基因变异。微生物对环境适应能力极强，深海、都已经发现了微生物菌株；由于个体较小，结构简单，微生物非常容件变化产生变异，比如生物诱变剂和紫外线；这为培育新的微生物菌的条件，例如营养缺陷型、高产型菌株的培育。

提取的蛋白质，可以作为人类基本饮食中蛋白质的补充，代替传统昂贵的源，缓解蛋白质短缺的问题[24]。目前单细胞蛋白已经作为食品蛋白广泛用人类的饮食当中。芽孢杆菌属，氢单胞菌属和甲基单胞菌属中的多种菌株工业规模上用于生产单细胞蛋白，因为粗蛋白含量占这些细菌干重的比例24]。利用微生物获得食品、食品添加剂甚至利用微生物生物质作为食品的为食品加工产业重新焕发了活力。使传统食品加工业看到了新的可能，例质地和香味甚至新的食物[2]。.2 微生物与化学制剂日益增加的气候变化和环境问题促使工业生产从化石燃料消费转向可再使得利用可再生的生物质生产化学制品的研究再次兴起[25-27]。通过微生物化学制品，来减少能源生产对化石燃料的依赖是迫切需要的，特别是利用碳源进行生产（图 3-1）。

8图 1-4 用于心脏生物标志物检测的硅纳米线体系[42]。Figure 1-4 Silicon nanowire system for cardiac biomarker detection.[42]硅：硅是用于微流控的第一种材料，随后很大层度上被玻璃和聚合物所取硅（玻璃）材质的微结构主要利用蚀刻、雕刻以及金属或化学的蒸发沉积（图 1-4）。硅具有高的弹性模量（130-180 GPa），不适合制作主动的流体和泵。硅具有丰富的硅羟基化学表面，所以很容易通过硅烷进行改性。例学修饰的硅表面，可以降低非特异性吸附和改善细胞的生长[44]。硅对能透而不能透过可见光，所以传统的荧光检测和流体成像在硅材质的微流控装困难。这些问题可以由透明性质的材料来解决，例如，玻璃和聚合物。玻璃：继硅之后，玻璃逐渐成为制作微流控装置的材料。玻璃材料的微结
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;国际微流控分析学术进展[J];国际学术动态;2012年05期

2 张素丽;李一言;杨文娟;黄凯;田学隆;;基于蓝牙控制的便携式数字微流控系统的研究[J];电子测量技术;2017年12期

3 成一诺;陈子浩;李锦帆;;基于微流控的现代生物医学检测技术概述[J];应用化工;2018年06期

4 孙东;罗涛;;基于微流控的细胞操纵方法与应用[J];科技导报;2018年16期

5 张若剑;刘俊;;微流控纸芯片专利技术综述[J];科技视界;2018年24期

6 范一强;王洪亮;高克鑫;刘竞技;柴东平;张亚军;;模块化微流控系统与应用[J];分析化学;2018年12期

7 马富强;杨广宇;;基于液滴微流控技术的超高通量筛选体系及其在合成生物学中的应用[J];生物技术通报;2017年01期

8 帖千枫;;微流控纸芯片的特点与应用[J];数码世界;2016年12期

9 方群;;多相微流控分析与毛细管电泳研究进展[J];色谱;2014年07期

10 王璐;石彦茹;闫宏涛;;“Y”型棉涤线微流控分析通道测定新方法研究[J];光谱学与光谱分析;2014年08期

相关博士学位论文 前10条

1 高崴;多重乳液的微流控制备与流动特性研究[D];东南大学;2019年

2 张雷成;基于微流控技术的微生物筛选、固定与自组装研究[D];华中科技大学;2019年

3 董悦;基于微流控的石墨烯基材料组装、修饰及应用[D];华中科技大学;2019年

4 林银银;基于表面张力限制的液滴微流控-材料高通量制备新方法的研究[D];上海大学;2019年

5 刘丹;基于纳米催化产气和液滴微流控的便携与数字化检测新方法[D];厦门大学;2017年

6 刘石磊;声学微流控器件中的物理场及表征方法的研究[D];南京大学;2019年

7 Umar Farooq;基于微流控技术的声表面波片上实验室的研究[D];浙江大学;2019年

8 张敏;基于微流道结构的光学变色系统微流控技术及试验研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

9 陈金阳;微流控液滴操控与进样技术研究及其生物分析应用[D];武汉大学;2017年

10 毛宇昕;微流控冲击打印技术的研究及其应用[D];中国科学技术大学;2019年

相关硕士学位论文 前10条

1 曹哲;基于液滴微流控SDA芯片的粒子合成研究[D];上海交通大学;2017年

2 陈畅;面向单细胞动态筛选及回收的微流控平台的研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

3 潘绍丰;明胶交联水凝胶中动态化学梯度建立的实验探究和模拟[D];中国地质大学(北京);2019年

4 黄恒顺;肠—肝—乳腺癌仿生芯片的构建及其应用[D];大连理工大学;2019年

5 江洋;细胞间接共培养微流控系统的设计与制作[D];大连理工大学;2019年

6 何昱;螺旋式变截面微流控PCR芯片关键技术研究[D];国防科技大学;2017年

7 杨旭;微腔体中电致旋转效应的流体动力学特性及其应用研究[D];电子科技大学;2019年

8 蔡越;面向快速定制的微流控浓度梯度芯片设计制造方法研究[D];杭州电子科技大学;2019年

9 刘家昌;新型无标记分析技术及微流控纸芯片设计制备研究[D];合肥工业大学;2019年

10 邓攀;基于软惯性力的Jakobid鞭毛虫高纯度、高活性分离研究[D];华中科技大学;2019年

本文编号：2874790