シーケンシャルキャピラリティーアシストアセンブリによる微生物と微粒子のパターニング

単一の微生物の空間パターニングは、特にマイクロ流体デバイスなどの環境条件を完全に制御できる実験分野では、幅広い文脈で非常に望ましい。例えば、微生物を規則的な配列に配置することで、多数の個々の細胞を正確にイメージングし、それらの増殖、生理機能、環境刺激に応答した遺伝子発現、および薬物感受性の研究を可能にする。また、細胞コミュニケーション(例えば、クォーラムセンシング)、交配(例えば、藻類 – 細菌共生)、または拮抗作用(例えば、アレロパシー)に関する研究において特に関心のある細胞間相互作用を研究することを可能にする。細胞生理・進化研究¹、細胞間相互作用研究²、表現型分化スクリーニング³、環境モニタリング⁴、薬物スクリーニング⁵ は、このような定量的単一細胞解析を実現できる技術から大きな恩恵を受けることができる分野の一つです。

近年、ホログラフィック光学トラップ⁶および不均一な表面機能化方法7,8,9,10から単一細胞ケモスタット11^および液滴マイクロ流体¹²まで、単一細胞を単離および処理するためのいくつかの戦略が提案されている。これらの方法は、技術的に非常に要求が厳しいか、細胞生理機能に影響を与え、長期間にわたって研究できる微生物をパターン化するための高スループットプラットフォームを提供しず、単一セル分解能、完全な光学アクセス、および環境条件の制御を保証します。この論文の目標は、毛細管現象支援アセンブリを介してPDMS表面上の所定の空間配置にマイクロメトリック精度で細菌をパターン化するプラットフォームを記述することです。このプラットフォームは、微生物の正確で柔軟な空間パターニングを可能にし、そのマイクロ流体の性質のおかげで、環境条件に対する完全な光学アクセスと制御を可能にします。

このプラットフォームの背後にある技術は、マイクロ流体プラットフォーム¹⁶に統合された^{sCAPA13,14,15}(シーケンシャルキャピラリーアシスト粒子アセンブリ)と名付けられた近年開発されたアセンブリ技術です。蒸発する液滴のメニスカスは、マイクロ流体チャネル内のパターン化されたポリジメチルシロキサン(PDMS)基板上を後退しながら、液体中に懸濁した個々のコロイド粒子を基板上に微細化されたマイクロメトリックウェルにトラップする毛細管力を発揮する(図1A)。懸濁粒子は、最初に対流電流によって気液界面に輸送され、次いで毛細管現象によってトラップに入れられる。移動メニスカスによって加えられる毛細血管力は、粒子相互作用に関与する力と比較して、より大きなスケールで作用する。

したがって、アセンブリ機構は、粒子の材料、寸法、および表面特性の影響を受けない。粒子濃度、メニスカスの速度、温度、懸濁液の表面張力などのパラメータは、パターニングプロセスの収率に影響を与える唯一のパラメータです。読者は、パターニングプロセスに対する前述のパラメータの影響の詳細な説明をⁱⁿ¹³、^14、15で見つけることができる。オリジナルのsCAPA技術^13,14,15では、コロイドパターニングプロセスはオープンシステムで行われ、テンプレートを横切ってサスペンションを駆動するために高精度の圧電ステージが必要でした。このプラットフォームは、異なる戦略を活用し、制御された環境でマイクロフルイディクスで一般的に使用される標準機器でパターニングを実行できるため、サンプルを汚染するリスクを最小限に抑えることができます。

このマイクロ流体プラットフォームは、まずコロイド粒子上で最適化され、不活性粒子の規則的な配列を作成し、その後細菌に首尾よく適用されました。このホワイトペーパーでは、両方のマイクロ流体プラットフォームについて説明します(図1B、C)。プロトコルに記載されている準備ステップと実験装置のほとんどは、2つのアプリケーションで共通です(図2)。我々は、コロイドパターニングを報告して、この技術を使用して同じ表面上で複数の連続的な堆積を行い、複雑でマルチマテリアルパターンを作成できることを実証する。特に、各ステップごとに1つの単一粒子を堆積させて、トラップの形状および充填シーケンスによってのみ決定される特定の形状および組成を有するコロイド配列を形成する。細菌のパターニングに関しては、単一の堆積が記載されており、その結果、トラップごとに1つの細菌が堆積する。細胞が表面にパターニングされると、マイクロ流体チャネルは、細菌増殖を促進するために培地でフラッシュされる、任意の単一細胞研究の予備段階である。