食品領域：

誘變育種儀與適應性進化儀組合達成生物合成新效率

丁酸梭菌將甘油生物轉化為1,3-丙二醇（1,3-PD）的效率受限于其對多種應激源（尤其是甘油作為底物、1,3-PD作為終產物以及丁酸作為副產物）的低耐受性，這最終降低了1,3-PD的產量。廣州大學齊向輝教授團隊通過天木生物的ARTP誘變育種儀和MMC適應性進化儀提高丁酸梭菌對應激源的耐受性和1,3-PD的生產能力,高效突破丁酸梭菌合成產量瓶頸。

該研究通過大氣室溫等離子體（ARTP）對野生菌株進行誘變獲得了對160 g/L甘油具有最大耐受性的菌群，而基于微生物微滴培養(yǎng)系統(tǒng)（MMC）的適應性實驗室進化（ALE）則培育出第二個對100 g/L 1,3-PD具有耐受性的菌群。隨后，通過對兩個菌群進行基因組洗牌，最終獲得GJH-418菌株，其可生成60.12 g/L 1,3-PD，產率為1.72 g/L h。突變株與野生菌株的轉錄分析表明，8個基因可能通過上調或下調表達參與了高耐受性和高1,3-PD產量的調控。

基于ARTP及MMC的丁酸梭菌適應性進化工作流程圖

醫(yī)藥領域：
基因工程+適應性進化：乙醇耐受產生聚-2-羥基丁二酸新路徑

由類酵母真菌聚球芽孢酵母產生的聚-2-羥基丁二酸（P2HBD）是一種新型水溶性聚羥基酸，在生物材料和生物醫(yī)學領域具有潛在應用。通常，以葡萄糖為碳源的有氧P2HBD發(fā)酵會通過丙酮酸脫羧生成乙酰輔酶A導致碳損失（釋放二氧化碳）。與糖類相比，不可發(fā)酵底物乙醇表現(xiàn)出每碳原子更高的還原度和更短的乙酰輔酶A生成路徑。

從乙醇氧化到P2HBD合成的模塊化組裝策略。藍色背景為乙醇氧化模塊（模塊I）

紫色背景為乙醛酸分流模塊（模塊II)，橙色背景為糖異生途徑模塊（模塊III)

西南大學鄒祥教授團隊探討了以乙醇為一碳源驅動的P2HBD碳經濟生物合成。首先發(fā)現(xiàn)乙醇可通過生物合成機制高效轉化為P2HBD，并特異性激活轉錄因子Cat8來調控聚球芽孢酵母中的乙醛酸分流。基于乙醇脅迫下的轉錄組分析，設計了一種模塊化組裝策略以平衡乙醇氧化、乙醛酸分流和糖異生途徑三個模塊，并通過啟動子工程實現(xiàn)精準調控。此外，還通過MMC系統(tǒng)來實現(xiàn)適應性進化策略提高了乙醇耐受性,使菌株能夠適應更高的濃度，轉化更多的產物。該共表達菌株在乙醇作為一底物時展現(xiàn)出相當的產量。

最終獲得突變株EGG 47，在5升發(fā)酵罐中，靜息細胞發(fā)酵實現(xiàn)了P2HBD滴度與產率的相當性——分別為66.7 ± 0.77 g/L和0.87 g/g乙醇。研究結果為第三代生物精煉廠從乙醇基質到生物聚合物和化學品的碳經濟轉型提供了新的見解。

 液滴生長曲線與MMC系統(tǒng)中乙醇濃度變化關系圖

氨基酸/多肽領域：

高產酪氨酸菌株低pH馴化提高工業(yè)化潛力

L-酪氨酸是一種芳香族非必需氨基酸，是左旋多巴、白藜蘆醇和羥基酪醇等許多重要化學產品的原料。它在食品、制藥和化工行業(yè)廣泛應用。盡管已有大量關于微生物合成L-酪氨酸的研究，但其低濃度特性限制了工業(yè)化大規(guī)模生產。

為提高大腸桿菌中L-酪氨酸的產量，江南大學周哲敏教授團隊上調或下調了莽草酸途徑中關鍵酶的表達水平。通過改進L-酪氨酸轉運系統(tǒng)和乙酸生物合成途徑，進一步提升了產量。此外，結合輔因子工程引入磷酸酮酶途徑，將碳通量導向莽草酸途徑。

從葡萄糖中生物合成L-酪氨酸

最終，經過適應性實驗室進化以適應低pH環(huán)境后，獲得了優(yōu)菌株。該菌株可在62小時內于5升發(fā)酵罐中生產92.5克/升L-酪氨酸，產率為0.266克/克葡萄糖。

 適應性進化后的菌株在不同pH下的生長情況和L-酪氨酸積累量

釀酒領域：

釀酒酵母新型篩選策略，酒液風味與品質新突破

中國白酒固態(tài)發(fā)酵過程中產生的高濃度乳酸會抑制釀酒酵母的生長代謝，進而影響酒液風味與品質。南昌大學付桂明教授團隊采用大氣室溫和等離子體（ARTP）聯(lián)合自動高通量微生物微滴培養(yǎng)系統(tǒng)（MMC），篩選出耐受高濃度乳酸的釀酒酵母菌株。

 不同乳酸濃度下突變株的適應性進化結果

實驗結果表明，在4%乳酸脅迫條件下，三種耐乳酸菌株的生長速率、細胞完整性、乙醇生產能力及揮發(fā)性香氣成分含量均顯著優(yōu)于原始菌株NCUF309.5。特別值得注意的是，經ARTP處理并結合MMC適應性實驗室進化獲得的NCUF309.5-44菌株，在4%乳酸脅迫下24小時后OD值提升93.65%，乙醇含量增加2.29倍，且經過10次連續(xù)傳代后仍保持穩(wěn)定。此外，其揮發(fā)性化合物含量提升60.69%。綜上所述，本研究為開發(fā)耐乳酸釀酒酵母提供了新型篩選策略，并為固態(tài)白酒發(fā)酵用微生物選育奠定了重要基礎。

微生物資源挖掘：

液滴培養(yǎng)體系革新微生物培養(yǎng)，助力微生物資源挖掘

 純細菌培養(yǎng)物對于微生物培養(yǎng)組學的研究至關重要。基于固體平板、微孔板和微反應器的傳統(tǒng)方法受到操作繁瑣和通量低的限制，阻礙了微生物培養(yǎng)組學研究的快速進展。

為應對這些挑戰(zhàn)，清華大學張翀教授團隊成功開發(fā)了單細胞微升級液滴培養(yǎng)組學系統(tǒng)（MISS cell），這是一個利用液滴微流控技術進行微生物單克隆分離、培養(yǎng)和篩選的自動化高通量平臺。該系統(tǒng)能夠在短時間內生成大量單細胞液滴，并對單克隆菌落進行培養(yǎng)、篩選和收集，實現(xiàn)了從微生物分離到挑取的一體化流程。

在本方案中，我們以人體腸道微生物群的分離和培養(yǎng)為例展示了該系統(tǒng)的應用，并將其與固體平板培養(yǎng)法在微生物分離效率、單克隆培養(yǎng)性能和篩選通量方面進行了比較。實驗流程簡單，試劑消耗極低。與固體平板培養(yǎng)法相比，MISS cell 能夠培養(yǎng)出更多樣化的腸道微生物物種，為微生物培養(yǎng)組學研究提供了巨大的潛力和價值。

 MISS 細胞中腸道微生物的單克隆分離與培養(yǎng)結果

(A) 腸道微生物群分離、培養(yǎng)和鑒定的工作流程圖

(B、D) 腸道微生物群分離培養(yǎng)獲得的單克隆菌落的科水平分析

(C、E) 腸道微生物群分離培養(yǎng)獲得的單克隆菌落的屬水平分析

酶工程領域：

微流控技術帶來酶活性及穩(wěn)定性突破性改良

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)藥領域的熱門替代甜味劑。其生物合成依賴于酮糖3-差向異構酶（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)生產及應用，急需開發(fā)催化效率更高、穩(wěn)定性更強的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。

天津科技大學秦慧民教授團隊基于結構指導的理性設計和定向進化，對D-阿洛酮糖3-差向異構酶（SfDAE）進行改造，構建了包含約200萬個突變體的突變庫，使用天木生物的液滴微流控分選平臺DREM cell結合D-阿洛酮糖響應轉錄調節(jié)因子的遺傳編碼生物傳感器，用于實時監(jiān)測D-阿洛酮糖生成量，分選獲得高產菌株，擴大培養(yǎng)后進行酶活檢測。

經過多輪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-果糖異構化為D-阿洛酮糖的反應中表現(xiàn)出更高的催化效率和熱穩(wěn)定性。

DAEase突變體文庫構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行的DAEase活性檢測
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這份成果匯編只是一個開端，接下來，我們將不定期地深入每一個垂直領域，為您詳細地分享與解讀：

1、那些發(fā)表在期刊上的研究是如何利用我們的設備實現(xiàn)的？

2、在酶工程、抗體藥物開發(fā)、工業(yè)菌株篩選等領域，微液滴技術究竟解決了哪些關鍵痛點？

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