Integrierter Ansatz rationalisiert Genomsequenzierung und bringt Einzelzelltechnologie voran

Eine einzelne Zelle kann mit Hilfe der Genomsequenzierung viel über die biologische Welt verraten. Wissenschaftler können eine einzelne, isolierte Zelle mit anderen Proben vergleichen und die Unterschiede und Ähnlichkeiten analysieren, um besser zu verstehen, wie die Organismen entstanden sind und sich entwickelt haben - oder sogar um völlig neue Arten zu entdecken.

Trotz der rasanten Entwicklung der Einzelzell-Sequenzierungstechnologien hinkt die Probenvorbereitung jedoch noch weit hinterher und hat sich zunehmend zu einem großen Engpass entwickelt, der eine breitere Anwendung der Einzelzell-Technologien verhindert.

Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Einzelzell-Probenvorbereitung und die Sequenzierungsmethoden in einem einzigen, rationalisierten Ansatz kombiniert, dem Addressable Dynamic Droplet Array (aDDA).

"Die bestehenden Einzelzell-Sequenzierungsmethoden sind im Allgemeinen nicht in der Lage, eine bestimmte Zelle von der Probenvorbereitung bis zur Sequenzierung zu verfolgen, was die Ergebnisse darüber, wie ein Genom tatsächlich mit der spezifischen Funktion der entsprechenden Zelle übereinstimmt, trübt. Die Lösung liegt in der Kombination von Teilen zweier tröpfchenbasierter Plattformen", sagt Erstautor LI Chunyu, Forscher im Single-Cell Center des QIBEBT.

"Eine ideale mikrofluidische Tröpfchenplattform für die Probenvorbereitung erfordert nicht nur statische Eigenschaften wie die genaue Identifizierung und Entnahme einzelner zellhaltiger Tröpfchen, sondern auch die Fähigkeit zu präzise gesteuerten biochemischen Reaktionen im Pikoliter-Maßstab - ein Billionstel eines Liters, kleiner als das, was das menschliche Auge sehen kann", sagte LI. "Bei aDDA werden alle Schritte der Probenvorbereitung, einschließlich der Isolierung einzelner Zellen, der Zelllyse, der Amplifikation und der Produktgewinnung, nacheinander in einem sehr kleinen Tröpfchen durchgeführt. Auf diese Weise kann jede Zelle während des gesamten Prozesses der Einzelzellprobenvorbereitung und Sequenzierung genau verfolgt werden."

Statische Tröpfchenarrays ermöglichen es den Forschern, Tröpfchen, die eine einzelne Zielzelle enthalten, genau zu identifizieren und abzurufen, während Plattformen mit kontinuierlich fließenden Tröpfchen jeden Schritt nacheinander und schnell abarbeiten. Das Team kombinierte diese beiden Ansätze in aDDA, das die gewünschten Zellen, die von den Forschern identifiziert wurden, schnell verarbeitet.

Um ihren Ansatz zu validieren, bearbeiteten die Forscher das Genom einzelner Hefezellen. Sie fanden heraus, dass aDDA einige der Probleme der getrennten Ansätze reduziert und zur Sequenzierung von 91% des Genoms der einzelnen Zelle führt. Bei herkömmlichen Verfahren werden im Durchschnitt nur etwa 26% des Genoms einer einzelnen Zelle sequenziert.

"Derzeit ist diese Plattform durch den Durchsatz begrenzt, da der Schritt der Entnahme noch manuell erfolgt", sagte MA Bo, stellvertretender Direktor des Single-Cell Center und Hauptautor dieser Studie, und wies darauf hin, dass das Team jetzt daran arbeitet, den Entnahmeprozess zu automatisieren. "Durch die Kombination der Stärken der indizierten stationären Tröpfchenanordnung und der dynamischen Tröpfchenmanipulation sollte die aDDA jedoch eine breite Anwendung bei der Erforschung von Verbindungen zwischen Phänotyp und Genotyp mit einer Auflösung von genau einer Zelle für die Vielzahl von Lebensformen auf der Erde finden.