On-chip微液滴系统应用于超高通量挖掘工业蛋白酶
2026-07-14 来源:本站 点击次数:101在生物制造方兴未艾的今天，如何从海量环境微生物中快速找到功能强大的工业用酶，是科学家们面临的一大挑战。顶尖研究团队在《Applied and Environmental Microbiology》发表突破性成果，首次利用On-chip微液滴生成与分选系统，在单次6小时的实验中，完成了对超百万个微生物的超高通量筛选，成功从复杂环境中直接挖掘出商业产品酶活性2.4倍的“明星蛋白酶”。该研究为工业酶的高效挖掘提供了革命性平台，展现了微液滴技术在合成生物学与生物制造领域的巨大潜力。
01 研究背景
蛋白酶作为一种能够切割蛋白质的酶，在洗涤、食品、制药等众多工业领域应用广泛。然而，从自然界（如土壤）中寻找新型、高效的蛋白酶，传统方法效率极低。论文提到，通常每筛选100万个微生物，可能只有不到10个能表现出目标活性。这就像大海捞针，使得大量宝贵的微生物资源无法被有效利用。
02 技术破局：On-chip微液滴技术打造超高通量“微型实验室”
这项研究的核心是运用了基于微液滴的微流控技术。研究摒弃传统思路，采用On-chip微液滴微流控技术，将单个微生物细胞与其分泌的活性直接关联，每个PL升级微液滴都是一个独立的“微型生物反应器”。在微液滴内封装荧光酶活底物，微生物一旦产生目标蛋白酶，其所在微液滴便会发出荧光信号。借助On-chip Sort（荧光激活微液滴分选系统），可实时、高速地对荧光最强的活性微液滴进行精准分离，直接捕获“功能”最强的微生物。
03 On-chip实验揭秘：如何实现“6小时完成百万级筛选”？
研究团队利用On-chip全套解决方案，对原始土壤微生物群落进行了无需培养的直接筛选：
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构建超大规模库：通过On-chip微液滴生成仪，快速制备了超过100万个单细胞微液滴库，为筛选奠定基础。
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实现极速分选：在6小时内，系统完成了对所有微液滴的检测，并成功分选出约1万个（约占总库1%）的最高活性微液滴，效率惊人
04 辉煌战果：高效Asp特异性蛋白酶“浮出水面
经过二次筛选和鉴定，研究人员从土壤微生物中成功分离出4种具有高蛋白酶活性的菌株。其中，一株名为Lysobacter soli的细菌脱颖而出。他们从中纯化出一种天冬氨酸（Asp）特异性金属内切蛋白酶。 更令人振奋的是，与目前市场上用于蛋白质测序的同类商业酶（来自Pseudomonas fragi的PfAsp-N）相比，这种新发现的蛋白酶活性高出2.4倍！这直接体现了功能筛选相较于基因序列筛选的优势——不仅能发现新酶，更能直接获得活性更优的版本。
05 实验结论
研究团队成员说：“这项研究证明，基于On-chip微液滴的‘筛选’策略，能够以前所未有的速度和规模，直接从复杂环境中挖掘出高性能生物催化剂。它绕过了培养和克隆的瓶颈，让我们在数小时内就能完成传统方法数月的筛选工作，并直接获得活性显著提升的酶。这是一次方法论上的重要突破。”
该成果不仅发现了一种极具应用前景的新型工业蛋白酶，更关键的是，它成功验证了On-chip微液滴技术作为“功能宏基因组学”核心工具的可行性，为酶定向进化、天然产物挖掘、单细胞分析等领域开启了全新的高效研究范式。
原文链接：
Nakamura A, Suzuki Y, Homma N, Shida Y, Sato R, Takaku H, Ogasawara W.2025.Ultrahigh-throughput screening of environmental bacteria for proteolytic activity using droplet-based microfluidics. Appl Environ Microbiol91:e00109-25.https://doi.org/10.1128/aem.00109-25IF: 3.7 B2
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