全球具有代表性的合成生物學(xué)自動化實驗室研究平臺應(yīng)用實例分享

瀏覽次數(shù)：6313　發(fā)布日期：2022-9-20　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

前言

合成生物學(xué)是興起于21世紀(jì)的新興學(xué)科，它結(jié)合分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、工程學(xué)、信息學(xué)等多個學(xué)科，旨在設(shè)計和建造新的生物部件、裝置和系統(tǒng)，或者重新優(yōu)化已有的天然生物系統(tǒng)來生產(chǎn)特定的物質(zhì)或解決人類面臨的健康、環(huán)境等方面的問題。

但是傳統(tǒng)的的實驗室需要耗費大量的時間、人力和研發(fā)經(jīng)費，缺乏理性的設(shè)計，需要大量的試錯。另一方面，目前的生物學(xué)研究還是勞動密集型的，或者小作坊式的。而將工程化、自動化、標(biāo)準(zhǔn)化引入到合成生物學(xué)研究當(dāng)中來，用機器人和自動化來做生物實驗，就可以大大的加快合成生物學(xué)的研究的進程。

本期展示目前在全球比較具有代表性的自動化合成生物研究平臺，包括美國 UIUC、愛丁堡大學(xué)、英國的帝國理工大學(xué)（詳見下期），以及上海曼森生物在合成生物研究科技基礎(chǔ)設(shè)施等。

01 伊利諾伊大學(xué)自動化實驗室

IBioFAB自動化實驗室（詳細(xì)視頻介紹請點擊公眾號原文查看）

圖1

目標(biāo)需求

伊利諾伊大學(xué)研究人員為了有效提高實驗室微生物在合成生物學(xué)中的應(yīng)用，建立了IBioFAB自動化實驗室（圖1）。

實施過程

作為世界上第一個用于合成生物學(xué)應(yīng)用的自動化中心，UIUC 的IBioFAB（Illinois Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing）成立于2014 年3月。IBioFAB由兩部分組成。一部分是進行設(shè)計-構(gòu)建-測試-分析的自動化研究循環(huán)的計算設(shè)計框架，另一部分是可自動化進行 DNA 的克隆、組裝、異源表達(dá)以及產(chǎn)物檢測的集成機器人系統(tǒng)。這個機器人系統(tǒng)具有一個6個自由度的機械臂、一個復(fù)雜的樣品跟蹤系統(tǒng)和用于各種平臺生物的元件和模塊庫。其中靈活的機械臂可以在 5 米長的軌道上行進，為平臺中的20多臺儀器間傳送微孔板。早期，他們開發(fā)了一個全自動的方法實現(xiàn)了在1天內(nèi)成功構(gòu)建1,000種不同的 TALEN 蛋白，且從預(yù)先設(shè)計到最終可以表達(dá)的質(zhì)粒具有高于 98%的正確組裝效率。

關(guān)鍵技術(shù)

模塊化技術(shù)，柔性化技術(shù)，自動化技術(shù)。

效益分析

該全自動的方法實現(xiàn)了在1天內(nèi)成功構(gòu)建1,000種不同的 TALEN 蛋白，且從預(yù)先設(shè)計到最終可以表達(dá)的質(zhì)粒具有高于 98%的正確組裝效率。這將每個 TALEN 合成的成本從超過1,000 美元直接降到低于10美元。

圖2

美國伊利諾伊大學(xué)iBioFab的全自動工作平臺，來自Thermo Fisher的機械手負(fù)責(zé)傳遞樣品（圖2），從而連接各個功能模塊和儲藏設(shè)備，完全脫離人工實驗操作。

02 曼森生物自動化實驗室

分液機器人（詳細(xì)視頻介紹請點擊公眾號原文查看）

型號：LabRob-FX

用途：將液體自動定量分裝到各種容器中，適合分裝試管、三角瓶、試劑瓶、組培瓶、藍(lán)蓋瓶、燒杯、培養(yǎng)皿、微孔板等形式的容器，
特點：采用協(xié)作機器人進行液體分裝，通量高、速度快、靈活性大、兼容容器形式多，特別是可以分裝接觸皿
應(yīng)用：食品藥品微生物分離與計數(shù)、海洋、陸地環(huán)境微生物分離與純化、工業(yè)微生物分離與篩選、病原微生物分離與鑒別、轉(zhuǎn)板、抗體實驗、細(xì)胞組織培養(yǎng)、核酸檢測等。

曼森生物食品藥品自動化檢測平臺

曼森生物自動化實驗室

↑↑上海曼森生物自動化實驗室

03、愛丁堡基因組平臺（TheEdinburghGenomeFoundry，EGF）是位于英國六大合成生物學(xué)中心之一愛丁堡大學(xué)的一個專門使用高度自動化組裝大型 DNA 片段的研究機構(gòu)。（詳細(xì)視頻介紹請關(guān)注公眾號原文查看）

EGF 可以產(chǎn)生和修飾長達(dá) 1 兆堿基對的 DNA 鏈，以使細(xì)胞或整個生物具有新的或改進的功能，可用于編程干細(xì)胞來實現(xiàn)個性化醫(yī)療，生產(chǎn)疾病檢測細(xì)菌和增加生物燃料作物的產(chǎn)量。

主要設(shè)施和能力

第一，該平臺致力于開發(fā)用于復(fù)雜 DNA 構(gòu)建項目的軟件，并與 Autodesk 合作開發(fā)了一種基于網(wǎng)絡(luò)的、開源的、用戶友好的、強大的設(shè)計工具——Genetic Constructor，專門用于設(shè)計大型 DNA 構(gòu)建體和組合文庫。第二，其多功能的機器人平臺可用于廣泛的DNA 操作實驗，例如 Golden Gate 組裝、Gibson 組裝、酵母重組以及質(zhì)粒小提等。第三，該平臺可進行一系列的細(xì)胞表型分析，包括質(zhì)譜、定量PCR、高通量微發(fā)酵及動力學(xué)分析等。第四，該平臺可實現(xiàn)對所有的設(shè)計、構(gòu)建和測試過程的監(jiān)控，以不斷優(yōu)化裝配流水線，利用全自動 DNA 裝配提供的高度可重復(fù)的數(shù)據(jù)，為機器學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)。

產(chǎn)品和服務(wù)

其主要提供的產(chǎn)品和服務(wù)主要包括三方面。首先是DNA 組裝服務(wù)，EGF為學(xué)術(shù)和工業(yè)客戶制造 DNA 材料，尤其是涉及大序列（大于5000 個堿基的序列）大量遺傳模塊或組合文庫的高通量項目。其次是提供廣泛的自動化分子生物學(xué)實驗流程和參數(shù)，包括 DNA 轉(zhuǎn)化和純化，qPCR，平板影印，菌落挑選，動力學(xué)實驗。此外，EGF 還具有一系列酵母菌株庫，可在愛丁堡大學(xué)內(nèi)部銷售。

04、帝國理工學(xué)院合成生物學(xué)實驗平臺（London DNA Foundry）

合成生物學(xué)實驗平臺屬于創(chuàng)新和知識中心 SynbiCITE，采用的是一種公私合作、追求將想法和研究商業(yè)化的運作模式。專門從事“合成生物學(xué)相關(guān)的設(shè)計、組裝、驗證和塑造”，為科學(xué)家提供一套領(lǐng)先的機器人技術(shù)、自動化分析設(shè)備、指導(dǎo)和培訓(xùn)。該平臺對 SynbiCITE 廣泛的合作伙伴（包括 17個英國大學(xué)和由跨國公司，中小企業(yè)和初創(chuàng)公司組成的 50 多個工業(yè)和商業(yè)合作伙伴）開放。

應(yīng)用功能

其工作重點是服務(wù)可以從自動化平臺的高吞吐量中獲益的具有商業(yè)或?qū)嶋H應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)項目。平臺主要被用來支持和促進生物系統(tǒng)設(shè)計和建造的“設(shè)計-構(gòu)建-測試-報告-學(xué)習(xí)”循環(huán)框架的系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，并通過與提供資源和專業(yè)知識的工業(yè)合作伙伴的一些特殊合作獲得最先進的技術(shù)。

平臺目標(biāo)

其目標(biāo)主要包括四個方面：建立一個最先進的DNA 合成和構(gòu)建平臺、進行合成生物學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、支持英國的合成生物學(xué)的工業(yè)發(fā)展和為研究人員（學(xué)術(shù)界和工業(yè)界）提供支持和培訓(xùn)。

配套設(shè)施及能力

其配套設(shè)施及能力包括以下幾個方面。第一，該平臺具有一系列商業(yè)和專有的 BioCAD/CAM 工具，用于快速和可擴展的轉(zhuǎn)基因和實驗設(shè)計。第二，該平臺的常規(guī)和聲學(xué)液體處理機器人平臺可用于并行構(gòu)建和組裝多個 DNA 片段，并利用軟件來編程和調(diào)度自動化。第三，該平臺具有一套用于元數(shù)據(jù)采集的高通量分析/測試設(shè)備，允許對一系列生物產(chǎn)品進行表征和定量分析。第四，基于網(wǎng)絡(luò)的實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）被用來追蹤任何裝配或?qū)嶒灥墓ぷ髁鞒碳皵?shù)據(jù)參數(shù)。第五，通過數(shù)據(jù)分析來完成建造-設(shè)計循環(huán)，利用對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計解釋和模型創(chuàng)建來優(yōu)化原來的設(shè)計循環(huán)。