高通量自動(dòng)化菌落平臺(tái)在人工合成微生物組的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著微生物組學(xué)、計(jì)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(diǎn)，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(guò)對(duì)不同的微生物菌株進(jìn)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(wú)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(duì)細(xì)胞的生物行為進(jìn)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(lái)越多的科學(xué)家不再局限于將多個(gè)基因模塊進(jìn)行組裝從而實(shí)現(xiàn)特定的生物功能，轉(zhuǎn)而開始對(duì)不同的微生物菌株進(jìn)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(duì)于理解并操縱天然群落，揭示群落穩(wěn)定互作的分子機(jī)制具有重要意義。同時(shí)，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(jì)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(guò)理性設(shè)計(jì)，構(gòu)建微生物之間的人工代謝網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成所需的任務(wù)；而“自上而下”的方法則是針對(duì)所需要執(zhí)行的生物功能，通過(guò)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(jì)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(duì)功能基因元件進(jìn)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(guò)對(duì)模式微生物進(jìn)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(lái)自已報(bào)道的元件庫(kù)，也可以自行篩選獲取。針對(duì)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(kù)，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(huì)更加直接。針對(duì)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(jìn)行分類和組合，最終得到一個(gè)最小但能發(fā)揮較大作用的微生物組。

 

 

而在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，菌株的篩選、復(fù)制等一系列實(shí)驗(yàn)操作無(wú)疑是整個(gè)研究過(guò)程中難度最大的一環(huán)，對(duì)于數(shù)千個(gè)菌落使用傳統(tǒng)的手動(dòng)篩選方法，不僅不切實(shí)際效率低下，而且成本高昂。盡管自動(dòng)化高通量菌落挑選系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，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(wèn)題，導(dǎo)致高通量自動(dòng)化菌落系統(tǒng)的工作平臺(tái)尚未得到廣泛使用 。

 

對(duì)于合成微生物組的研究熱點(diǎn)，英國(guó)SINGER公司創(chuàng)造性的推出了高通量自動(dòng)化菌落平臺(tái)—ROTOR和PIXL。它們?cè)谖⑸�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(qiáng)大的菌落自動(dòng)化操作工作臺(tái)，可在96、384、1536、6144密度下，對(duì)酵母、真菌、細(xì)菌及藻類的菌落進(jìn)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(gè)酵母缺失突變體庫(kù)復(fù)制4次；可進(jìn)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(qiáng)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(dòng)識(shí)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(kù)；通過(guò)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(wàn)個(gè)菌，無(wú)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(shí)驗(yàn)需求。PIXL 高精度挑菌工作站還能與機(jī)械臂完美的結(jié)合，推動(dòng)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)全流程自動(dòng)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(jìn)行生物發(fā)電；化工產(chǎn)品主要用來(lái)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(jià)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(gè)新的研究熱點(diǎn)，隨著我們對(duì)各個(gè)微生物性質(zhì)了解的深入，合成微生物組研究將會(huì)迎來(lái)更大的突破。

 

來(lái)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》