發展可程式化液滴實驗室作為長時間高產出之微生物量測平台 FY2011~
秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)為近年來在生物界逐漸受到重視的生物基因模型。相對於實驗室小白鼠的複雜性,由於該生物體具備易繁殖、少量神經元(302)、微型體積(約1 mm)、短暫生命週期(約2.5天)、完整定序的基因組與光學透明等優點,因此在基因學、神經科學與製藥領域佔有重要的地位。透過對該線蟲長時間行為的研究,我們可以理解各種刺激物(Stimuli)、基因與神經元對線蟲壽命長短、成長過程與睡眠的關聯性。由於該線蟲與人類保有約60%的基因相似性,因此研究結果往往也可作為應用到人體的重要依據。然而目前受限於現有技術,量測通常僅侷限於短時間(約幾秒或幾分)內發生的行為。對於需要長時間觀察的行為,譬如睡眠反應或全天性的身體律動,往往受限於線蟲活動範圍增加與現有所使用儀器與技術無法在不干擾蟲體的前提下侷限其活動範圍而仍未有效研究。另外對非單一線蟲行為的量測也礙於即時影像辨識的困難度,而無法擴展同時間內可量測線蟲的數目。為求突破目前關於長時間線蟲行為研究量能的不足,本計畫擬提出以可程式化微液滴實驗室(Programmable Lab in a Drop, PLID)的構想來解決。PLID藉由二相流將單一線蟲或卵鞘包覆在液滴內,然後透過光電濕潤(Optoelectrowetting, OEW)操控技術達到移動、排列、混合或分離液滴的目的,提供最終所需的觀測環境。相較於現行技術的諸多困難,PLID的創新點在於提供(1)最少干擾蟲體活動的隔離空間;(2)可彈性調控的空間尺寸;(3)低量微製程需求;(4)可平行大量檢測的技術以及(5) 藉由光驅動虛擬電極提供動態操控環境等。
101年9月執行完畢。在此,根據先前評審委員意見與執行成果特將計畫內容調整後提出延續性計畫。具體來說,前一年我們會已成功達成以7×5的靜態微液滴陣列研究線蟲在液態環境下的行為、壽命等評估。接下來本延續性計畫第一年將著重在建立一套可多功能分離線蟲的液滴分離晶片並完成用人造粒子評估。由於線蟲為活體動物,因此如何有效將蟲體包覆於適量液滴當中與如何提高包覆率(Encapsulation Rate)將是研發重點。第二年則利用先前已完成的分離晶片再加上新發展的可程式化液滴實驗室平台來大量分析線蟲幼蟲第四期的睡眠行為(L4 Lethargus)並比較不同基因型線蟲的行為差異,用以建立有用的行為資料庫。最終我們希望藉由PLID的技術可以達到每批次以動態液滴分析80筆以上的線蟲為目標。相較之下,現有技術僅能達到每天單筆的能力,80筆資料就必需花費80天的時間。因此本計畫的成功將大幅縮減所需耗費的人力、時間與成本。本計畫由成大生物化學暨分子生物學所陳昌熙博士所負責的南部線蟲核心設施培養與提供線蟲,同時也將與賓州大學神經學系Dr. David M. Raizen的實驗室異地合作。透過Dr.Raizen在線蟲睡眠行為研究的專長與成大醫工系莊漢聲博士在光機電微流操控的專長,共同開發此技術以突破對秀麗隱桿線蟲行為研究在量能上的限制。預期本研究成果也可轉移到其他諸如細胞或微生物需要長時間與大量檢測的應用。
101年9月執行完畢。在此,根據先前評審委員意見與執行成果特將計畫內容調整後提出延續性計畫。具體來說,前一年我們會已成功達成以7×5的靜態微液滴陣列研究線蟲在液態環境下的行為、壽命等評估。接下來本延續性計畫第一年將著重在建立一套可多功能分離線蟲的液滴分離晶片並完成用人造粒子評估。由於線蟲為活體動物,因此如何有效將蟲體包覆於適量液滴當中與如何提高包覆率(Encapsulation Rate)將是研發重點。第二年則利用先前已完成的分離晶片再加上新發展的可程式化液滴實驗室平台來大量分析線蟲幼蟲第四期的睡眠行為(L4 Lethargus)並比較不同基因型線蟲的行為差異,用以建立有用的行為資料庫。最終我們希望藉由PLID的技術可以達到每批次以動態液滴分析80筆以上的線蟲為目標。相較之下,現有技術僅能達到每天單筆的能力,80筆資料就必需花費80天的時間。因此本計畫的成功將大幅縮減所需耗費的人力、時間與成本。本計畫由成大生物化學暨分子生物學所陳昌熙博士所負責的南部線蟲核心設施培養與提供線蟲,同時也將與賓州大學神經學系Dr. David M. Raizen的實驗室異地合作。透過Dr.Raizen在線蟲睡眠行為研究的專長與成大醫工系莊漢聲博士在光機電微流操控的專長,共同開發此技術以突破對秀麗隱桿線蟲行為研究在量能上的限制。預期本研究成果也可轉移到其他諸如細胞或微生物需要長時間與大量檢測的應用。
- Belfer, S.J., Chuang, H.S., Freedman, B.L., Yuan, J., Norton, M., Bau, H.H., Raizen, D.M.,“Caenorhabditis-in-drop array for monitoring C. elegans quiescent behavior,” Sleep, Vol.36(5), pp.689-698, 2013.