全球具有代表性的合成生物學(xué)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室研究平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例分享

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(gè)學(xué)科，旨在設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和研發(fā)經(jīng)費(fèi)，缺乏理性的設(shè)計(jì)，需要大量的試錯(cuò)。另一方面，目前的生物學(xué)研究還是勞動(dòng)密集型的，或者小作坊式的。而將工程化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化引入到合成生物學(xué)研究當(dāng)中來，用機(jī)器人和自動(dòng)化來做生物實(shí)驗(yàn)，就可以大大的加快合成生物學(xué)的研究的進(jìn)程。

本期展示目前在全球比較具有代表性的自動(dòng)化合成生物研究平臺(tái)，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(dòng)化實(shí)驗(yàn)室

IBioFAB自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室（詳細(xì)視頻介紹請點(diǎn)擊公眾號(hào)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(shí)驗(yàn)室微生物在合成生物學(xué)中的應(yīng)用，建立了IBioFAB自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室（圖1）。

實(shí)施過程

作為世界上第一個(gè)用于合成生物學(xué)應(yīng)用的自動(dòng)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(jìn)行設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試-分析的自動(dòng)化研究循環(huán)的計(jì)算設(shè)計(jì)框架，另一部分是可自動(dòng)化進(jìn)行 DNA 的克隆、組裝、異源表達(dá)以及產(chǎn)物檢測的集成機(jī)器人系統(tǒng)。這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)具有一個(gè)6個(gè)自由度的機(jī)械臂、一個(gè)復(fù)雜的樣品跟蹤系統(tǒng)和用于各種平臺(tái)生物的元件和模塊庫。其中靈活的機(jī)械臂可以在 5 米長的軌道上行進(jìn)，為平臺(tái)中的20多臺(tái)儀器間傳送微孔板。早期，他們開發(fā)了一個(gè)全自動(dòng)的方法實(shí)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(jì)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(dòng)化技術(shù)。

效益分析

該全自動(dòng)的方法實(shí)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(jì)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(gè) 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(dòng)工作平臺(tái)，來自Thermo Fisher的機(jī)械手負(fù)責(zé)傳遞樣品（圖2），從而連接各個(gè)功能模塊和儲(chǔ)藏設(shè)備，完全脫離人工實(shí)驗(yàn)操作。
 

02 曼森生物自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室

分液機(jī)器人（詳細(xì)視頻介紹請點(diǎn)擊公眾號(hào)原文查看）


型號(hào)：LabRob-FX

用途：將液體自動(dòng)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(diǎn)：采用協(xié)作機(jī)器人進(jìn)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(jì)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(shí)驗(yàn)、 細(xì)胞組織培養(yǎng)、 核酸檢測等。

曼森生物食品藥品自動(dòng)化檢測平臺(tái)

 

曼森生物自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室

 

 

↑↑上海曼森生物自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室

 

03、愛丁堡基因組平臺(tái)（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(gè)專門使用高度自動(dòng)化組裝大型 DNA 片段的研究機(jī)構(gòu)。（詳細(xì)視頻介紹請關(guān)注公眾號(hào)原文查看）

EGF 可以產(chǎn)生和修飾長達(dá) 1 兆堿基對(duì)的 DNA 鏈，以使細(xì)胞或整個(gè)生物具有新的或改進(jìn)的功能，可用于編程干細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)個(gè)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(tái)致力于開發(fā)用于復(fù)雜 DNA 構(gòu)建項(xiàng)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(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具——Genetic Constructor，專門用于設(shè)計(jì)大型 DNA 構(gòu)建體和組合文庫。第二，其多功能的機(jī)器人平臺(tái)可用于廣泛的DNA 操作實(shí)驗(yàn)，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(tái)可進(jìn)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(dòng)力學(xué)分析等。第四，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的設(shè)計(jì)、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(dòng) DNA 裝配提供的高度可重復(fù)的數(shù)據(jù)，為機(jī)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(gè)堿基的序列）大量遺傳模塊或組合文庫的高通量項(xiàng)目。其次是提供廣泛的自動(dòng)化分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)平臺(tái)（London DNA Foundry）

合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)屬于創(chuàng)新和知識(shí)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(yùn)作模式。專門從事“合成生物學(xué)相關(guān)的設(shè)計(jì)、組裝、驗(yàn)證和塑造”，為科學(xué)家提供一套領(lǐng)先的機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化分析設(shè)備、指導(dǎo)和培訓(xùn)。該平臺(tái)對(duì) SynbiCITE 廣泛的合作伙伴（包括 17個(gè)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(gè)工業(yè)和商業(yè)合作伙伴）開放。

應(yīng)用功能

其工作重點(diǎn)是服務(wù)可以從自動(dòng)化平臺(tái)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(xiàng)目。平臺(tái)主要被用來支持和促進(jìn)生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造的“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試-報(bào)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(shí)的工業(yè)合作伙伴的一些特殊合作獲得最先進(jìn)的技術(shù)。

平臺(tái)目標(biāo)

其目標(biāo)主要包括四個(gè)方面：建立一個(gè)最先進(jìn)的DNA 合成和構(gòu)建平臺(tái)、進(jìn)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(gè)方面。第一，該平臺(tái)具有一系列商業(yè)和專有的 BioCAD/CAM 工具，用于快速和可擴(kuò)展的轉(zhuǎn)基因和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。第二，該平臺(tái)的常規(guī)和聲學(xué)液體處理機(jī)器人平臺(tái)可用于并行構(gòu)建和組裝多個(gè) DNA 片段，并利用軟件來編程和調(diào)度自動(dòng)化。第三，該平臺(tái)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(duì)一系列生物產(chǎn)品進(jìn)行表征和定量分析。第四，基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）被用來追蹤任何裝配或?qū)嶒?yàn)的工作流程及數(shù)據(jù)參數(shù)。第五，通過數(shù)據(jù)分析來完成建造-設(shè)計(jì)循環(huán)，利用對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)解釋和模型創(chuàng)建來優(yōu)化原來的設(shè)計(jì)循環(huán)。
 

文章來源：本文由上海曼森生物整理提供 

內(nèi)容審核：郝玉有博士

排版校對(duì)：劉娟娟編輯