史蒂芬·奎克(StephenQuake)是斯坦福大学的生物工程师和应用物理学家，一直对物理学和生物学之间的接口感兴趣。20世纪90年代末在加州理工学院工作期间，他专注于DNA研究。然而，他对工作台上耗时的过程感到沮丧。他对新的自动化技术感兴趣，想知道如何摆脱移液的束缚。

他想知道答案是否在于软光刻，这是哈佛大学GeorgeWhitesides团队在20世纪90年代末开发的一种使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的方法。1由于其机械灵活性、低成本且易于大规模生产，这种材料很快就进入了微流体设备和在生命科学领域越来越受欢迎的微型芯片。最重要的是，PDMS的高透明度意味着它适用于光学显微镜，使这些微流体装置对生物应用特别有吸引力。

由于PDMS的优点，Quake试图用相同的材​​料制造阀门和泵，以使研究人员能够在芯片内进行高度自动化。作为Whitesides技术的延伸，Quake和他的同事设计了由PDMS制成的微加工机械阀门，并将其称为Quake阀门。2该设计将这些微型阀集成到双层PDMS微流控芯片上。液体流经底部通道，而上部通道与其垂直。当在压力下激活时，上部通道会夹断其下方通道的流量(就像踩在花园软管上一样)。压力的释放导致下部通道重新打开。

随着我们对周围世界的了解越来越多，当应用程序出现时，您就拥有了良好的技术。可以这么说，这不是一匹只会一招的小马。

——亚伦·斯特里茨，加州大学伯克利分校

这些微型阀对传统方法进行了改进：它们提供了强大的自动化平台。例如，Quake将这些气动微型阀集成到微流控芯片上，以轻松分离和分类DNA分子，而不是依赖DNA凝胶电泳。通过整合这项技术，Quake和他的团队还简化了细胞分选，并在微流控芯片上进行聚合酶链反应。3

微流控系统极大地帮助了研究人员探索结构生物学的应用，例如蛋白质结晶、芯片实验室等。4虽然这项技术推动了许多科学发现，但它彻底改变了单细胞生物学领域。

微流体、单细胞和DamID

随着2009年推出的单细胞基因组学技术，研究人员可以扩增单细胞的转录组，但缺乏捕获和分析许多细胞的自动化。“最大的障碍是如何利用这些技术超越用少数细胞进行的定制实验并大规模进行。微流控管道使我们能够做到这一点，”Quake解释道。

人类基因组计划受益于这些强大的微流体平台。该项目于20世纪90年代末和2000年代初持续进行，给研究人员带来了一项艰巨的挑战：对数百万个细胞进行测序。微流控技术为这项劳动密集型且耗时的任务提供了解决方案。微流体的自动化是帮助研究人员收集基因组数据的关键因素，并使DNA测序更快、更简单，且成本仅为一小部分。

微阀、微孔和微滴平台等子领域迅速出现，大大提高了单细胞测序技术的可扩展性和通量。5-7现在，这些不同的技术有助于绘制人类细胞图谱，旨在识别和分类所有人类细胞类型以及健康和疾病状态下的细胞状态。

加州大学伯克利分校的生物工程师AaronStreets说：“细胞有数万亿个，我们在单细胞水平上探索细胞多样性越多，我们对细胞状态的连续体和复杂性了解就越多。”“如果没有微流体技术，就不可能想象捕获足够的单细胞来创建人类细胞图谱。”

Streets于2010年代中期开始尝试使用微流体进行单细胞基因组分析。虽然测序技术提供了有价值的信息，但Streets希望在表征细胞时获得更完整的图片。因此，他将光学测量和基因组测量结合起来，以了解基因组信息与细胞外观的关系。

Streets开发了一种名为μDamID的新技术。8该方法改编自DNA腺嘌呤甲基转移酶鉴定(DamID)，可在微流控芯片上进行单细胞分选并收集基因组材料进行测序。

μDamID将两种方法配对，一种用于测序数据，另一种用于空间成像数据。首先，研究人员用m6A-Tracer标记细胞，m6A-Tracer是一种融合蛋白，含有绿色荧光蛋白和与这些甲基化位点结合的结构域。然后他们在微流体平台上对细胞进行单独分离、成像和分类。为了观察细胞核中这些相互作用的空间位置，街道使用了荧光显微镜。

成像后，研究人员进行了DamID，它依赖于识别DNA上蛋白质-DNA相互作用的化学记录。它沿着DNA沉积甲基基团并充当化学信号轨迹。他们选择性地放大该信号进行分析，以绘制蛋白质-DNA相互作用的序列位置。DNA采集发生在微流控芯片上，研究人员随后在芯片外进行测序。这项技术提高了研究人员创建这些蛋白质-DNA结合图谱的能力，以研究DNA在细胞核中的调节方式，其主要优点是将单个细胞的成像和测序数据联系起来。

由于μDamID专注于短读长测序，Streets开发了另一种称为DiMeLo-seq的方法来评估长读长测序数据。9他的团队继续开发用于进行新的多模式测量的工具，这将使研究人员能够深入了解以前传统方法无法实现的生物系统。

“随着我们对周围世界的了解越来越多，当应用程序出现时，您就拥有了良好的技术。可以这么说，这不是一匹只会一招的小马。”斯特里茨说道。“这就是为什么[微流体]如此令人兴奋的领域。”