微流控芯片光刺激装置和酵母单细胞光调控基因表达方法及应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种微流控芯片光刺激装置和酵母单细胞光调控基因表达方法及应用。所述微流控芯片光刺激装置包括细胞培养芯片、用于维持活体细胞生长的培养操控单元以及光刺激单元。采用本发明专利技术的微流控芯片光刺激装置进行酵母单细胞光调控基因表达方法，采用该微流控芯片装置进行酵母细胞的显微镜测量，可以在单细胞水平上对单细胞进行定点定量光刺激，启动酵母特定基因表达，并在较长时间内收集酵母基因表达量变化所引起的信号变化。对多个酵母细胞进行的广泛刺激可以对细胞异质性响应进行统计分析，更全面地给出了细胞响应过程所对应的状态空间动力学轨迹，避免了群体响应结果的平均化信息损失。均化信息损失。均化信息损失。

【技术实现步骤摘要】
微流控芯片光刺激装置和酵母单细胞光调控基因表达方法及应用


[0001]本专利技术属于基因调控
，具体涉及一种微流控芯片光刺激装置和酵母单细胞光调控基因表达方法及应用。

技术介绍

[0002]在基因环路的研究中，由于生物系统具有随机性，所以细胞的状态在状态空间中是随机分布的。单细胞水平的观测能够给出具体每一个细胞的状态，对大量的单细胞状态进行统计可以得到细胞在某一个时期某一种环境下的状态分布。这一状态分布才严格地描述细胞在此种情况下的所有信息。而细胞的群体响应仅能给出细胞状态的平均值，无法反应细胞高维状态空间中不同状态之间的关系，甚至可能无法区分两个重叠的状态。例如，肿瘤细胞在癌变之后就持续地发生着突变，而每个细胞的突变都各不相同，只有理解这种基因突变的发生和发展机制才能理解癌症的转移和抗药性。因此近年来单细胞技术得到了飞速的发展，科学工作者开发了单分子荧光原位杂交、单细胞测序技术以及荧光相关光谱等多种检测手段，实现了对单细胞内的基因表达水平和蛋白质分布的检测，为理解细胞基因调控网络的动力学过程提供了重要信息，同时在肿瘤发生机制、细胞命运决定以及干细胞重编程等领域发挥了重要作用。
[0003]微流控芯片作为一种微量分析手段非常适合高通量的单细胞分析，因此发展了很多单细胞分析方法，如不同包载方法的细胞液滴技术、利用重力或流体力学卡口实现的单细胞捕捉技术、高通量单细胞测序技术等。在这些重要装置技术中，液滴技术包载率低，并且在长时间培养下细胞分裂之后聚集成团，无法在显微镜下区分单个细胞；利用重力或流体力学卡口实现的单细胞捕捉技术虽然对于哺乳动物细胞这种体积较大的很容易实现，但是对于酵母细胞这种球型的小细胞却很难做到；而高通量单细胞测序虽然能够得到单个细胞的大量转录组信息，但是却没有时间连续性，无法连续跟踪某个细胞的状态空间动力学轨迹。更重要的是，对于基因网络的研究需要得到细胞动力学过程的统计特征，这需要对大量的细胞进行高通量测量，而目前并没有一种廉价的方式进行大规模高通量的酵母单细胞培养。采用商业化的微流控芯片不仅需要购买价格几十万的培养操控设备，而且每个芯片的价格也有上千元，直接导致高通量测量的成本高昂，阻碍了对细胞基因网络动力学机制的研究。
[0004]另外一方面，细胞的基因网络本身是一个非常复杂的非线性动力学系统，为了研究基因环路的动力学特征，发展了多种扰动手段，如基因扰动方法、化学物质扰动方法和显微注射技术。在这些重要方法技术中，基因扰动方法通过基因敲除、基因过表达和基因突变改变细胞的表现型，然而因为这种方法作用于细胞整体并且效果缓慢，因而更加倾向于破坏细胞内分子相互作用网络的稳态而非对细胞内分子网络特定的局域位点进行调节，因此这种方法无法用来探究细胞内部的分子调控机制；化学物质扰动方法通过化学物质来扰动细胞内物质的浓度，诱导或者关闭基因表达，然而，化学扰动方法不能集中于特定的单一细
胞，还受到时间分辨率的困扰，因为化学反应扰动的逆转需要物理地改变溶液条件；微注射技术本身对于实验手段要求很高，实验困难，并且是低通量的侵入性技术，而且仅仅对于特定的细胞有效。发展一种具有较高时间空间分辨率的无损基因调控方法已经成了现在的当务之急。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决现有技术中的技术问题，提供一种微流控芯片光刺激装置和酵母单细胞光调控基因表达方法及应用，采用本专利技术的微流控芯片光刺激装置进行酵母细胞的显微镜测量，可以在单细胞水平上对单细胞进行定点定量光刺激，启动酵母特定基因表达，并在较长时间内收集酵母基因表达量变化所引起的信号变化。对多个酵母细胞进行的广泛刺激可以对细胞异质性响应进行统计分析，更全面地给出了细胞响应过程所对应的状态空间动力学轨迹，避免了群体响应结果的平均化信息损失。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
[0007]本专利技术提供一种微流控芯片光刺激装置，包括细胞培养芯片、用于维持活体细胞生长的培养操控单元以及光刺激单元；
[0008]所述培养操控单元控制酵母细胞及培养基的输入，同时控制细胞的培养环境为恒温环境；
[0009]所述细胞培养芯片用于捕获通过所述培养操控单元控制输入的酵母细胞；
[0010]所述光刺激单元用于对酵母单细胞进行定点定量光刺激，启动酵母特定基因表达，并收集酵母基因表达量变化所引起的信号变化。
[0011]在上述技术方案中，所述细胞培养芯片包括用于捕获细胞的微台阵列，玻璃底板以及用于模拟血管流通的中间通道；所述微台阵列与所述玻璃底板键合在一起；所述微台阵列的材质为聚二甲基硅氧烷，所述微台阵列与所述玻璃底板之间的空隙为4微米。
[0012]在上述技术方案中，所述培养操控单元包括笼式恒温培养箱、与细胞培养芯片连通的第一微量注射泵和第二微量注射泵；所述笼式恒温培养箱为酵母细胞的培养提供恒温环境，所述第一微量注射泵用于注入酵母细胞，第二微量注射泵用于输入适当的培养基。
[0013]在上述技术方案中，所述光刺激单元包括激光耦合装置、激光控制装置、用于观察微流控芯片中细胞的显微镜以及用于成像的显微镜成像系统；
[0014]所述激光耦合装置包括反射镜、扩束器及滤色块；所述反射镜用于调整光路指向，所述扩束器用于增宽入射光宽度，滤色块用于反射激发光并透射检测光；为保证单细胞内定点定量光刺激，入射光与检测光必须在空间完全耦合；
[0015]所述激光控制装置包括激光器和数据板卡；所述数据板卡由电脑主机控制输出模拟或数字信号至激光器，所述激光器用于输出激光；
[0016]所述显微镜包括物镜，所述物镜用于将入射刺激光定点照射至酵母细胞；
[0017]所述显微镜成像系统包括集束器、共聚焦光子记录仪和电脑主机；所述集束器用于收集检测光信号，所述共聚焦光子记录仪用于记录检测光信息，电脑主机用于控制数据传递和数据收集。
[0018]本专利技术提供一种采用微流控芯片光刺激装置进行酵母单细胞光调控基因表达方法，包括：
[0019]光敏分子元件的导入；
[0020]光调控酵母基因表达；
[0021]记录响应信号。
[0022]在上述技术方案中，所述光敏分子元件的导入的方法包括：将光致构象转变的光敏感蛋白用同源重组的方式插入酵母基因组中，并在光刺激下生成异源二聚体。
[0023]在上述技术方案中，所述光调控酵母基因表达的方法包括：将转录因子和DNA结合域分别耦合在一对相互作用的光敏感蛋白上，其中第一个光敏感蛋白定位在转录因子结合位点附近，第二个光敏感蛋白在光刺激下与第一个光敏感蛋白结合，提高与转录因子结合在转录因子结合位点上的概率，诱导基因转录。
[0024]在上述技术方案中，所述记录响应信号的方法包括：采用不同时序信号序列及输入光功率强度对细胞进行光刺激，并实时记录细胞内响应信号的变化。
[0025]在上述技术方案中，注入所述细胞培养芯片的酵母细胞密度为105‑
106个/毫升，细胞注入流速为0.5毫升/分钟，细胞培养基注入流速为0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片光刺激装置，其特征在于，包括细胞培养芯片、用于维持活体细胞生长的培养操控单元以及光刺激单元；所述培养操控单元控制酵母细胞及培养基的输入，同时控制细胞的培养环境为恒温环境；所述细胞培养芯片用于捕获通过所述培养操控单元控制输入的酵母细胞；所述光刺激单元用于对酵母单细胞进行定点定量光刺激，启动酵母特定基因表达，并收集酵母基因表达量变化所引起的信号变化。2.根据权利要求1所述的微流控芯片光刺激装置，其特征在于，所述细胞培养芯片包括用于捕获细胞的微台阵列，玻璃底板以及用于模拟血管流通的中间通道；所述微台阵列与所述玻璃底板键合在一起；所述微台阵列的材质为聚二甲基硅氧烷，所述微台阵列与所述玻璃底板之间的空隙为4微米。3.根据权利要求1所述的微流控芯片光刺激装置，其特征在于，所述培养操控单元包括笼式恒温培养箱、与细胞培养芯片连通的第一微量注射泵和第二微量注射泵；所述笼式恒温培养箱为酵母细胞的培养提供恒温环境，所述第一微量注射泵用于注入酵母细胞，第二微量注射泵用于输入适当的培养基。4.根据权利要求1所述的微流控芯片光刺激装置，其特征在于，所述光刺激单元包括激光耦合装置、激光控制装置、用于观察微流控芯片中细胞的显微镜以及用于成像的显微镜成像系统；所述激光耦合装置包括反射镜、扩束器及滤色块；所述反射镜用于调整光路指向，所述扩束器用于增宽入射光宽度，滤色块用于反射激发光并透射检测光；所述激光控制装置包括激光器和数据板卡；所述数据板卡由电脑主机控制输出模拟或数字信号至激光器，所述激光器用于输出激光；所述显微镜包括物镜，所述物镜用于将入射刺激光定点照射至酵母细胞；所述显微镜成像系统包括集束器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘传波，刘琼，汪劲，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：