耦合液滴单细胞培养的快速微生物鉴定质谱接口关键技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21775155
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0401.分离与分析
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Rapid identification is the key to the control of (and the response to) pathogen transmission. Mass spectroscopy (M.S.) is a highly sensitive method for rapid identification of microbes, but its strength of “rapid identification” is far from being fully exploited in present applications. The bottleneck in improving the speed and throughput of M.S.-based microbial identification has been the reliance of its sample preparation on traditional spreading plate culture and manual sampling. To tackle this challenge, we propose an innovative solution that directly and seamlessly couples droplet-based single cell cultivation with mass spectroscopy identification. As a single cell can be encapsulated and cultivated into a microcolony (consisting of thousands of cells) in a microdroplet, the cellular biomass is large enough to meet the sensitivity requirements of MALDI-TOF-MS, which can be thoroughly spotted on the MALDI chip automatically. This strategy thus remove the need for cultivating single cells into visible colonies followed by manual sampling. As the result, the duration of sample preparation can be significantly reduced, from one to several days to only several hours, and the throughput can also be improved by several orders of magnitudes. In this project we will develop a series of key technologies for MS microbial identification, including single-cell droplet culture, microbial droplet optical identification and sorting, and droplet dispenser on the MALDI chip. Together these will lay the principle and key technological basis for developing a high throughput MS-based rapid microbial identification system that can facilitate scientific research and industrial application in clinical diagnostics, food safety, disease prevention, and other strategic or social needs that involve rapid detection and identification of microbes.
快速鉴定是有效控制与应对致病微生物传播的关键。质谱是一种高灵敏的微生物快速鉴定手段,但其快速鉴定优势在实际应用中远未充分体现,而制约其速度和通量的关键瓶颈在于样品依赖于传统涂布培养增菌和手动点样过程。针对上述瓶颈,本项目提出直接耦合液滴单细胞培养与质谱鉴定的创新思路。由于液滴能将单细胞培养成微克隆(数千到数万个细胞)且能全部无损自动地点样在MALIDI芯片上满足质谱灵敏度要求,因此无需单细胞培养成肉眼可见克隆再手动点样,样品增殖周期有望从1到数天大幅缩短至数小时,且容易实现自动化。基于上述原理,本项目拟重点研制基于微生物单细胞液滴培养、微生物液滴光学识别与分选及微生物液滴-MALDI芯片点样等微生物质谱鉴定接口关键技术和方法,为高通量自动化的微生物质谱快速鉴定系统的研制奠定原理和关键技术基础。本项目的实施将最终服务于临床微生物医学、食品微生物等领域,科学和现实意义兼具。

结项摘要

快速鉴定是有效控制与应对致病微生物传播的关键。质谱是一种高灵敏的微生物快速鉴定手段,但其快速鉴定优势在实际应用中远未充分体现,而制约其速度和通量的关键瓶颈在于样品依赖于传统涂布培养增菌和手动点样过程。本项目自实施以来,已成功发展了基于液滴单细胞培养的系统、微生物液滴识别与分选系统、液滴-MALDI芯片点样系统。成功实现基于液滴包裹的单细胞培养微克隆的直接自动质谱进样和检测,从而为高通量自动化的微生物质谱鉴定系统研制奠定原理和关键技术基础。微生物单细胞和所需的培养基被分散包裹在水包油液滴中,液滴单独收集完成离线培养经过约3-6小时的培养后可在显微镜下能观测到液滴内光学透明度发生变化。同时构建液滴分选系统将培养后的液滴再注射进入芯片光学检测通道,从而完成对微生物包裹液滴的光学识别与分选,分选效率可达90%以上。发展两种微液滴-MALDI芯片点样接口,其中动态接口可与实现90%左右的点样效率,静态液滴阵列导出可达到95%以上。导出到MALDI靶板后,对大肠杆菌和阿氏肠杆菌进行质谱的验证。本项目的实施为高通量自动化的微生物质谱快速鉴定系统的研制奠定原理和关键技术基础。本项目的实施将最终服务于临床微生物医学、食品 微生物等领域,科学和现实意义兼具。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
Phenome-Genome Profiling of Single Bacterial Cell by Raman-Activated Gravity-Driven Encapsulation and Sequencing
通过拉曼激活重力驱动封装和测序对单个细菌细胞进行表型基因组分析
  • DOI:
    10.1002/smll.202001172
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Small
  • 影响因子:
    13.3
  • 作者:
    Xu Teng;Gong Yanhai;Su Xiaolu;Zhu Pengfei;Dai Jing;Xu Jian;Ma Bo
  • 通讯作者:
    Ma Bo
Ramanome technology platform for label-free screening and sorting of microbial cell factories at single-cell resolution
拉马诺姆技术平台,用于以单细胞分辨率对微生物细胞工厂进行无标记筛选和分选
  • DOI:
    10.1016/j.biotechadv.2019.04.010
  • 发表时间:
    2019-11-01
  • 期刊:
    BIOTECHNOLOGY ADVANCES
  • 影响因子:
    16
  • 作者:
    He, Yuehui;Wang, Xixian;Xu, Jian
  • 通讯作者:
    Xu, Jian
Raman-Activated Droplet Sorting (RADS) for Label-Free High-Throughput Screening of Microalgal Single-Cells
用于微藻单细胞无标记高通量筛选的拉曼激活液滴分选 (RADS)
  • DOI:
    10.1021/acs.analchem.7b03884
  • 发表时间:
    2017-11-21
  • 期刊:
    ANALYTICAL CHEMISTRY
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Wang, Xixian;Ren, Lihui;Ma, Bo
  • 通讯作者:
    Ma, Bo
A Palm Germ-Radar (PaGeR) for rapid and simple COVID-19 detection by reverse transcription loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP).
棕榈胚芽雷达 (PaGeR) 通过逆转录环介导的等温扩增 (RT-LAMP) 快速、简单地检测 COVID-19
  • DOI:
    10.1016/j.bios.2021.113925
  • 发表时间:
    2022-03-15
  • 期刊:
    Biosensors & bioelectronics
  • 影响因子:
    12.6
  • 作者:
    Ge A;Liu F;Teng X;Cui C;Wu F;Liu W;Liu Y;Chen X;Xu J;Ma B
  • 通讯作者:
    Ma B
A milliliter to picoliter-level centrifugal microfluidic concentrator for fast pathogen detection and antimicrobial susceptibility testing
毫升至皮升级离心微流体浓缩器,用于快速病原体检测和抗菌药物敏感性测试
  • DOI:
    10.1016/j.snb.2021.130117
  • 发表时间:
    2021-05-19
  • 期刊:
    SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Xu,Teng;Han,Xiao;Ma,Bo
  • 通讯作者:
    Ma,Bo

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其他文献

Modeling soil detachment capacity by rill flow under the effect of freeze–thaw and the root system
模拟冻融和根系影响下细流的土壤分离能力
  • DOI:
    10.1007/s11069-021-05178-7
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
    Natural Hazards
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    马建业;李占斌;孙宝洋;马波;张乐涛
  • 通讯作者:
    张乐涛
黄土高原丘陵区小流域地下水补给特征
  • DOI:
    10.13826/j.cnki.cn65-1103/x.2018.05.011
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    干旱区地理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马建业;孙宝洋;肖俊波;王杉杉;马波;李占斌
  • 通讯作者:
    李占斌
中国天津渤海湾表层地下水与海水相互作用数值模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Estuarine, Coastal and Shelf Science
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马波;刘苓苓;唐国强;王天宇
  • 通讯作者:
    王天宇
结缔组织因子和转化生长因子与后发性白内障发病关系的研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    国际眼科纵览
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马波;裴澄;康前雁
  • 通讯作者:
    康前雁
激光视觉传感系统的电弧增材制造侧表面成形分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    中国激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马波;高向东;黄怡洁
  • 通讯作者:
    黄怡洁

其他文献

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马波的其他基金

基于人工智能辅助自动拉曼分选/测序耦合的微生物组单细胞功能解析方法学研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    59 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于阵列介电捕获的微生物单细胞高通量拉曼流式分选方法学研究
  • 批准号:
    31470220
  • 批准年份:
    2014
  • 资助金额:
    80.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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