高通量自動化菌落平臺在人工合成微生物組的應(yīng)用

近年來，隨著微生物組學(xué)、計算生物學(xué)、合成生物學(xué)等研究的迅猛發(fā)展，人工構(gòu)建高效穩(wěn)定的人工菌群逐漸成為研究熱點，從而衍生出新的研究領(lǐng)域，被稱為合成微生物組。合成微生物組的研究，是通過對不同的微生物菌株進行整合，高效、穩(wěn)定、安全地處理更復(fù)雜的任務(wù)，完成單一菌株無法完成的目標(biāo)，從而滿足更廣泛的需要。

 

 

隨著基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的興起，科學(xué)家開始用嚴(yán)格的工程學(xué)對細(xì)胞的生物行為進行改造與控制，由此衍生出了新的研究領(lǐng)域—合成生物學(xué)。隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的科學(xué)家不再局限于將多個基因模塊進行組裝從而實現(xiàn)特定的生物功能，轉(zhuǎn)而開始對不同的微生物菌株進行整合，人工創(chuàng)建可以滿足特定需求的穩(wěn)定的微生物群落，這些群落被稱為人工合成微生物組。人工合成微生物組的迅速發(fā)展，對于理解并操縱天然群落，揭示群落穩(wěn)定互作的分子機制具有重要意義。同時，由于人工合成微生物組可以穩(wěn)定地執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，該領(lǐng)域的研究也為合成生物學(xué)在工業(yè)和環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用開拓了新的方向。

 

合成微生物組通常有兩種設(shè)計方式，分別是“自下而上”的方法和“自上而下”的方法。其中“自下而上”的方法是指通過理性設(shè)計，構(gòu)建微生物之間的人工代謝網(wǎng)絡(luò)來完成所需的任務(wù)；而“自上而下”的方法則是針對所需要執(zhí)行的生物功能，通過調(diào)整篩選條件，獲得符合要求的功能菌株。在確認(rèn)了設(shè)計方式之后，即可按照上述策略，用改造或篩選得到的功能菌株構(gòu)建出初始的合成微生物組。

 

 

自下而上”的方法需要明確微生物的代謝路徑，對功能基因元件進行篩選和改造，并將其整合到合適的菌株中。菌株可從自然界篩選得到，也可通過對模式微生物進行改造從而得到滿足特殊的功能需求的菌株�；�因元件可以來自已報道的元件庫，也可以自行篩選獲取。針對合成微生物組所需要執(zhí)行的特定生物功能，根據(jù)現(xiàn)有的微生物代謝庫，查明其代謝通路，明確代謝通路中涉及的基因，在不同宿主中篩選相關(guān)的基因元件，整合到合適的底盤微生物中，使其具備相應(yīng)的功能。

 

“自上而下”的方法相比于前一種方法會更加直接。針對所需要執(zhí)行的生物功能，可以控制環(huán)境條件篩選獲得不同的功能菌株，比較這些菌株的代謝能力，依據(jù)功能進行分類和組合，最終得到一個最小但能發(fā)揮較大作用的微生物組。

 

 

而在整個實驗過程中，菌株的篩選、復(fù)制等一系列實驗操作無疑是整個研究過程中難度最大的一環(huán)，對于數(shù)千個菌落使用傳統(tǒng)的手動篩選方法，不僅不切實際效率低下，而且成本高昂。盡管自動化高通量菌落挑選系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)勢，但是由于產(chǎn)品性能不同，處理量低或交叉污染等一系列問題，導(dǎo)致高通量自動化菌落系統(tǒng)的工作平臺尚未得到廣泛使用 。

 

對于合成微生物組的研究熱點，英國SINGER公司創(chuàng)造性的推出了高通量自動化菌落平臺—ROTOR和PIXL。它們在微生物菌群研究中發(fā)揮了重要的作用。

 

 

 

ROTOR是世界上速度最快、功能最強大的菌落自動化操作工作臺，可在96、384、1536、6144密度下，對酵母、真菌、細(xì)菌及藻類的菌落進行高通量篩選與陣列重排；用ROTOR的6144密度的RePads針板，可在20秒內(nèi)，將整個酵母缺失突變體庫復(fù)制4次；可進行高通量酵母雙雜交、遺傳合成陣列（Synthetic Genetic Array）、表型或化學(xué)遺傳分析。ROTOR的強大功能還包括高通量涂布，分離單菌落；成像與分析系統(tǒng)自動識別菌落特征，篩選菌落；單菌落挑取系統(tǒng)，高效挑菌，構(gòu)建文庫；通過雜交、抗性篩選、顯色篩選、熒光篩選等手段，獲得某種特殊功能的益生菌菌株。

 

PIXL 高精度挑選工作站是合成生物學(xué)研究不可或缺的利器！挑菌方便快捷，可連續(xù)挑三萬個菌，無需滅菌。6通道光源：1通道白光和5通道熒光光源，適用于普通菌落和多種熒光菌落。軟件靈活，適應(yīng)多重實驗需求。PIXL 高精度挑菌工作站還能與機械臂完美的結(jié)合，推動合成生物學(xué)實驗全流程自動化。

 

 

合成微生物組目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微生物生產(chǎn)和微生物修復(fù)領(lǐng)域。在生產(chǎn)領(lǐng)域常見于生物能源、化工產(chǎn)品和藥物的生產(chǎn)。其中，生物能源包括沼氣、氫氣等清潔能源，還可以利用合成微生物組直接進行生物發(fā)電；化工產(chǎn)品主要用來大量生產(chǎn)異丙醇、異丁醇等；在生物藥物的合成領(lǐng)域，利用合成微生物組可以高效合成紫杉醇的前體物質(zhì)氧化紫杉烷等高價值產(chǎn)品。合成微生物組正在成為微生物研究領(lǐng)域、合成生物學(xué)領(lǐng)域的一個新的研究熱點，隨著我們對各個微生物性質(zhì)了解的深入，合成微生物組研究將會迎來更大的突破。

 

來源：合成生物學(xué)期刊—《人工合成微生物組的構(gòu)建與應(yīng)用》