機械化代替手動，自動化技術(shù)在分子生物界大顯身手
未來已來，科幻大片中機器人占領(lǐng)地球？也許不是沒可能！
2019在北京舉行的世界機器人大會讓大家一飽眼福，體會到目前基于機器的自動化產(chǎn)業(yè)已應用于衣食住行的各個方面，甚至在生物學和生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，自動化與高通量的實驗方式也正在成為工業(yè)級研究的新趨勢。
2019世界機器人大會展覽[1]
為什么需要自動化高通量？
•提到自動化（Automation），大家首先想到的是機器代替部分人工工作，通過系統(tǒng)控制和完成操作過程：
生物實驗結(jié)果往往有不確定性，有些實驗難以重復，自動化可以解決源于生物研究者造成的人工誤差和錯誤等，節(jié)省工作時間，提升實驗效率，有效避免樣品的污染，提高實驗可重復性；與自動化儀器結(jié)合的計算機系統(tǒng)可以進行大量數(shù)據(jù)的詳細記錄和存儲，讓實驗問題有跡可循。
•其實自動化不僅僅是代替人工，更要超越人工：
原本1次/人檢測一個樣品，通過自動化高通量（High-throughput）設(shè)備可以一次同時檢測幾十甚至幾百個樣品，同時讀取大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高通量快速檢測和篩選的實驗目的。
•另外，自動化應用還可以向微型化高靈敏的方向發(fā)展，更小的反應體系僅需少量樣本即可進行實驗，減少實驗樣品的消耗。
在分子生物學中的應用
過去幾年，基因編輯技術(shù)的廣泛應用已將其產(chǎn)業(yè)化升級的需求提到了至關(guān)重要的高度。先跟我一起回顧下基因編輯大小鼠的構(gòu)建流程吧：
基因編輯動物構(gòu)建流程[2]
當然有個完美周到的設(shè)計方案是工作開始的前提，那么之后：目的基因測序—sgRNA活性篩選—目的基因合成—載體構(gòu)建和RNA制備—質(zhì)粒提取—顯微注射—陽性小鼠出生—PCR鑒定、southern blot鑒定；自動化儀器設(shè)備的發(fā)展使分子生物學部分中樣本的處理、提取和檢測等各個環(huán)節(jié)逐步由人工勞動力向自動化高通量轉(zhuǎn)變，大大提高技術(shù)精度和工作效率。
來，讓我們舉個栗子
1）液體處理
曾記學生時代在手持移液器時進行批量操作時，手已累殘槍頭沒裝緊移液只有一半，剛加過的孔瞬間忘記加到了哪里，這個孔我剛加過了嗎？
工業(yè)生產(chǎn)，為客戶提供服務，這種狀況可不允許發(fā)生。在分子生物學工作站引入Beckman自動化移液系統(tǒng)，可以精準的完成96孔板的位置定位，高精度的加樣，靈活的八通道頭可以獨立控制[3]，具有很大限度的靈活性，也避免了人員操作可能帶來的樣品污染。能夠完成移液、梯度稀釋、分液及合并液體等液體處理工作。在基因編輯小鼠制備的質(zhì)粒提取、基因組DNA純化和PCR體系設(shè)置階段均可以應用。
百奧賽圖基因編輯平臺自動移液工作站
2）樣品合成
從1970年首例人工基因合成到現(xiàn)在，DNA合成在當代已經(jīng)不是什么難事了，而合成的快、準、很~~~多才是發(fā)展趨勢，化學法合成的通量比較低，合成長度也有限，微陣列介導的DNA高通量合成技術(shù)逐漸興起， Twist Bioscience獨特的基于半導體硅芯片的DNA合成技術(shù)能夠高通量、低成本的合成DNA，產(chǎn)量較普通PCR合成更高，且無需再次擴增，合成長度可達1.8kb，合成量100-1000μg[4]。這一高通量技術(shù)的應用可大大提升DNA合成的通量和效率。
硅芯片DNA合成平臺與傳統(tǒng)96孔板DNA合成對比[4]
3）樣品處理
常規(guī)質(zhì)粒提取和純化為堿裂解法，但面臨菌液多，裂解不充分，質(zhì)粒提取量較低的問題[5] 。全自動核酸提取儀以經(jīng)典的磁珠分離技術(shù)完成核酸自動化提取，快速完成磁珠和廢液的分離，省去必需的離心和過濾的操作，可高通量處理樣品，提高核酸提取的一致性。全自動核酸提取儀發(fā)展趨勢是與PCR反應相結(jié)合，從提取分離純化到擴增直接完成。
4）樣品檢測和篩選
作為基因編輯小鼠每年>1500個課題生產(chǎn)量的服務公司，鼠尾PCR 鑒定的數(shù)量可以說是相當龐大的，繞地球幾圈當然我還沒算過，不過我知道自動化PCR擴增儀可少不了，這個恐怕也是大家接觸zui多也應用zui多的自動化設(shè)備了。
PCR反應過程需要變換至少三個溫度，高溫變性，低溫退火，中溫延伸。三個溫度的變化速度平穩(wěn)，耗時少，通量高越來越成為自動化發(fā)展的方向。第一代PCR擴增儀使用機械手臂將樣品在三個恒定溫度水浴箱中切換，不需升降溫，時間短，但是樣品移動過程在空氣中易被污染，水溫溫度不易保持穩(wěn)定。第二代自動化控制定性PCR擴增儀利用變溫金屬塊作為恒溫裝置，通過半導體加熱或者冷卻，溫度變換平穩(wěn)，酶活性高，耗時較長[6]。第三代實時定量PCR儀加入熒光物質(zhì)，可檢測PCR進程信號變化，快速定量完成PCR擴增[7]。
百奧賽圖自動化PCR擴增儀工作站
生物領(lǐng)域研究過程可以用到的自動化和高通量設(shè)備數(shù)不勝數(shù)，這里就不一一介紹了，定制化整合集成的自動化設(shè)備是將來的發(fā)展趨勢，不要驚訝于科幻大片的場景，可能某一天實驗室里、生產(chǎn)車間里看到瓶瓶罐罐井然有序的自己工作著 已然是常態(tài)了。
參考資料：
[1]https://www.worldrobotconference.com/html/bolanhui/canzhanshang/bolanhuixinwen/2019/0822/866.html
[2]Shao, Y., Guan, Y., Wang, L., Qiu, Z., Liu, M., Chen, Y., … Li, D. (2014). CRISPR/Cas-mediated genome editing in the rat via direct injection of one-cell embryos. Nature Protocols, 9(10), 2493–2512.
[3]http : // www. beckmancoulter . cn / ls-discovery / automation / liquid - handlers / biomek - 4000 . html
[4]https://www.twistbioscience.com
[5]Tan, S. C., & Yiap, B. C. (2009). DNA, RNA, and Protein Extraction: The Past and The Present. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2009, 1–10.
[6]http://www.gbw114.com/news/n4650.html
[7]VanGuilder, H. D., Vrana, K. E., & Freeman, W. M. (2008). Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. BioTechniques, 44(5), 619–626.
掃碼關(guān)注百奧賽圖了解更多咨詢哦
