单细胞基因组测序是生命科学与生物技术的共性使能技术之一，但其推广应用却面临着诸多瓶颈。一方面，单个细胞的核酸含量极低，为满足测序所需核酸量通常须大幅增加扩增循环数，这将极度放大基因组DNA扩增的偏好性，从而大幅度降低单细胞全基因组覆盖率；同时，单细胞的分离获取、裂解、扩增等过程通常十分繁琐，而且操作困难、易于污染。针对这些瓶颈问题，单细胞中心开发了一种模块式的可寻址动态液滴阵列平台（aDDA）。该平台能快速分离获取单细胞，并批量完成单细胞裂解、高覆盖度核酸扩增和产物回收，为单细胞全基因组测序样品制备提供了一种创新的全集成技术，该研究于7月23日发表于Small。
模块式可寻址动态液滴阵列平台
单细胞基因组测序样品制备需要整合不同的功能单元，以完成一个复杂、多步的完整实验过程。支撑这一过程的液滴微流控技术，一方面在液滴操控上需要“静”，以利于单细胞液滴的鉴别和追踪，从而提高单细胞分离获取的可信度；另一方面又需要“动”，以便于可控地添加试剂，从而快速实现连续多步反应。然而，现有的“连续流动”和“静态模式”的液滴微流控方法却难以满足上述“动”、“静”兼顾的要求。针对这一问题，单细胞中心李春宇副研究员提出了一种动态液滴操控新方法，可在“动”与“静”的完美结合中准确地鉴别和追踪包裹单细胞的液滴，同时精准可控地向静态液滴中添加试剂，以启动核酸扩增反应。依托这一关键技术，研究人员进一步构建了名为aDDA的模块式集成化可寻址动态液滴阵列，实现了单细胞基因组测序样品制备的全流程集成。该阵列具有以下特点：
第一，高集成度。通过多种液滴操控基本功能单元在微芯片上的一体化设计，实现了单细胞分离、细胞裂解、扩增试剂添加、在线预扩增以及扩增产物回收等环节的在线化与集成化。
第二，高可信度。通过“可寻址”的微腔室设计，结合“动静结合”的单细胞微液滴操作，实现了单细胞核酸样品制备各环节的可控制、可追踪、可验证，从而确保了操作的准确性。
第三，高覆盖度。基于前期开发的“微液滴单细胞精确包裹”技术，将通常的微升级MDA扩增体积大幅缩小到亚纳升级（三个数量级的压缩），从而大幅度降低基因组扩增的偏好性、提高基因组的覆盖率。相比于20 μL的扩增体系，基于aDDA（300 pL扩增体系）能将酵母单细胞基因组的覆盖率从26%提高到91%。
下一步，研究人员将基于aDDA研制全自动单细胞基因组测序样本制备仪。该仪器将作为下游环节，和单细胞中心研制的CAST-R、RACS-Seq、FlowRACS、EasySort Lego/Compact等单细胞拉曼系列仪器系统对接，针对微生物组、突变体库、人体组织等复杂细胞样品，服务从单细胞代谢表型组到相应基因组的高通量解析。
该工作由单细胞中心马波研究员主持完成，获得了国家自然科学基金委、中国科学技术部、中国科学院等的支持。（文/李春宇 图/陈荣泽 于宁芙）
Chunyu Li*, Yanhai Gong, Xixian Wang, Jian Xu, and Bo Ma*. Integrated addressable dynamic droplet array (aDDA) as sub-nanoliter reactors for high-coverage genome sequencing of single yeast cells. Small 2021. smll.202100325
