基于微流控技术的微生物筛选、固定与自组装研究

论文摘要

微生物与人类生活息息相关,例如食品、化学制品、药物、生物能源、生物材料和酶的生产经常会用到酵母、细菌和真菌等微生物。随着系统生物学、合成生物学和医学的发展,高通量筛选稀有微生物、高效固定微生物以及控制细菌纤维素自组装,已经成为当今生物医学研究的重要内容之一。传统微生物研究方法主要基于琼脂糖平板或多孔板进行,这些方法操作繁琐、通量低、不利于微生物精确控制。近年来微流控技术发展迅速,得益于其制作简单、消耗少、操作简单和通量高等诸多优势。由于芯片结构尺寸与微生物有着完美匹配,使其被视为一个理想平台用于微生物研究。本文基于琼脂糖微孔芯片和聚二甲基硅氧烷(PDMS)多孔材料,探讨了功能性微生物筛选和固定,以及细菌纤维素可控自组装的研究,主要研究如下:1、设计了一种基于琼脂糖的微孔芯片,用于在单克隆水平下筛选功能性微生物。利用绿色荧光蛋白(GFP)标记的大肠杆菌(E.coil)来评估种植细胞在微孔中的分布和生长;产脂肪酶的枯草芽孢杆菌(Bacillus)作为模式菌株来探索细菌产物在芯片上的表达及检测。研究发现,琼脂糖微孔芯片能够快速捕获、固定细菌细胞以及自由表达细菌产物;阳性克隆产物能够利用荧光进行检测和筛选。2、发展了一种新颖的PDMS多孔材料制作方法用于微生物固定。利用聚合乳化法来制作多孔材料,其中石蜡油作为稀释剂,乳化水滴作为致孔剂。研究发现石蜡油可以促进水在PDMS溶液中的乳化,并阻止乳化液滴蒸发。固化后,可以得到微结构均一、弹性优良的多孔材料。结果表明该PDMS多孔材料,能够用于高效固定微生物。3、利用软光刻技术,构建了一种表面结构化的PDMS多孔材料模具,用于制造图案化细菌纤维素。在细菌培养液的气液界面引入图案化多孔材料模具,随着发酵,细菌生产的纤维素能够在模具表面进行自组装。研究发现,该图案化的多孔材料模*本研究课题得到国家自然科学基金(21775049,31700746)和中央高校基本科研业务费(HUST:2018JYCXJJ044)的资助。具能够用于形成高精度、高厚度的图案化细菌纤维素。4、依据失蜡法,发展了一种中空结构的PDMS多孔材料模具,用于控制细菌纤维素自组装,形成可定制的三维(3D)细菌纤维素。在细菌培养液界面引入三维模具结构,随着发酵,产生的纤维素在结构表面有序自组装。研究发现,该模具可以用于耳朵、颈椎骨等复杂3D形状细菌纤维素的生产,该3D细菌纤维素有望进一步应用于器官移植的研究。综上所述:本文发展了一种琼脂糖微孔芯片和PDMS多孔材料,实现了微生物高通量筛选、高效固定以及结构化细菌纤维素的生物制造。这些尝试为微生物的深度工程化应用提供了新的技术方法平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 微生物简介
•   1.3 微流控芯片
•   1.4 三维多孔材料
•   1.5 本文主要工作
• 2 基于琼脂糖凝胶微孔阵列的微生物筛选新方法
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•   2.3 结果与讨论
•   2.4 本章小结
• 3 基于PDMS多孔材料制作与微生物固定
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•   3.3 结果与讨论
•   3.4 本章小结
• 4 基于PDMS多孔材料的细菌纤维素图案化自组装
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•   4.3 结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 5 基于PDMS多孔材料的细菌纤维素三维自组装
•   5.1 引言
•   5.2 实验部分
•   5.3 结果与讨论
•   5.4 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 本文主要研究内容与结论
•   6.2 本文主要创新点
•   6.3 论文存在的不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录 基因序列

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张雷成

导师: 刘笔锋

关键词: 微生物,微流控技术,琼脂糖凝胶,聚二甲基硅氧烷

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 华中科技大学

基金: 国家自然科学基金(21775049,31700746),中央高校基本科研业务费(HUST:2018JYCXJJ044)

分类号: Q93

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004863

总页数: 127

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