前言

合成生物學是興起于21世紀的新興學科，它結合分子生物學、微生物學、生物化學、工程學、信息學等多個學科，旨在設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，缺乏理性的設計，需要大量的試錯。另一方面，目前的生物學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、標準化引入到合成生物學研究當中來，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、英國的帝國理工大學（詳見下期），以及上海曼森生物在合成生物研究科技基礎設施等。

01 伊利諾伊大學自動化實驗室

IBioFAB自動化實驗室（詳細視頻介紹請點擊公眾號原文查看）

圖1

目標需求

伊利諾伊大學研究人員為了有效提高實驗室微生物在合成生物學中的應用，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應用的自動化中心，UIUC 的IBioFAB（Illinois Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing）成立于2014 年3月。IBioFAB由兩部分組成。一部分是進行設計-構建-測試-分析的自動化研究循環(huán)的計算設計框架，另一部分是可自動化進行 DNA 的克隆、組裝、異源表達以及產(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)成功構建1,000種不同的 TALEN 蛋白，且從預先設計到最終可以表達的質粒具有高于 98%的正確組裝效率。

關鍵技術

模塊化技術，柔性化技術，自動化技術。

效益分析

該全自動的方法實現(xiàn)了在1天內(nèi)成功構建1,000種不同的 TALEN 蛋白，且從預先設計到最終可以表達的質粒具有高于 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iBioFab的全自動工作平臺，來自Thermo Fisher的機械手負責傳遞樣品（圖2），從而連接各個功能模塊和儲藏設備，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、 轉板、 抗體實驗、 細胞組織培養(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中心之一愛丁堡大學的一個專門使用高度自動化組裝大型 DNA 片段的研究機構。（詳細視頻介紹請關注公眾號原文查看）

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

 

主要設施和能力

第一， 該平臺致力于開發(fā)用于復雜 DNA 構建項目的軟件，并與 Autodesk 合作開發(fā)了一種基于網(wǎng)絡的、開源的、用戶友好的、強大的設計工具——Genetic Constructor，專門用于設計大型 DNA 構建體和組合文庫。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、酵母重組以及質粒小提等。第三，該平臺可進行一系列的細胞表型分析，包括質譜、定量PCR、高通量微發(fā)酵及動力學分析等。第四，該平臺可實現(xiàn)對所有的設計、構建和測試過程的監(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的數(shù)據(jù)，為機器學習提供基礎。

 

產(chǎn)品和服務

其主要提供的產(chǎn)品和服務主要包括三方面。首先是DNA 組裝服務，EGF為學術和工業(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實驗流程和參數(shù)，包括 DNA 轉化和純化，qPCR，平板影印，菌落挑選，動力學實驗。此外，EGF 還具有一系列酵母菌株庫，可在愛丁堡大學內(nèi)部銷售。


 

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

合成生物學實驗平臺屬于創(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“合成生物學相關的設計、組裝、驗證和塑造”，為科學家提供一套領先的機器人技術、自動化分析設備、指導和培訓。該平臺對 SynbiCITE 廣泛的合作伙伴（包括 17個英國大學和由跨國公司，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。

應用功能

其工作重點是服務可以從自動化平臺的高吞吐量中獲益的具有商業(yè)或實際應用的行業(yè)領導項目。平臺主要被用來支持和促進生物系統(tǒng)設計和建造的“設計-構建-測試-報告-學習”循環(huán)框架的系統(tǒng)化和標準化，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。

平臺目標

其目標主要包括四個方面：建立一個最先進的DNA 合成和構建平臺、進行合成生物學的基礎設施建設、支持英國的合成生物學的工業(yè)發(fā)展和為研究人員（學術界和工業(yè)界）提供支持和培訓。

配套設施及能力

其配套設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基因和實驗設計。第二，該平臺的常規(guī)和聲學液體處理機器人平臺可用于并行構建和組裝多個 DNA 片段，并利用軟件來編程和調度自動化。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)絡的實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）被用來追蹤任何裝配或實驗的工作流程及數(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)化原來的設計循環(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：劉娟娟編輯