“自动化、高通量”为突破合成生物学研究瓶颈加把劲！

Molecular Devices

2023/10/08 12:04

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合成生物学的快速发展正在改变生物技术行业的产业布局。目前，合成生物技术已经广泛应用于食品、农业、医疗等多个领域。伴随我国《“十四五”生物经济发展规划》的颁布，被誉为“第三次生物科技革命”的合成生物学研究热度高涨，但当前构建合成生物系统的内在逻辑尚处于摸索阶段，整个合成生物学领域正处于发展初期，需要先进的使能技术及解决方案推动合成生物学产业快速发展。为帮助广大用户及时了解合成生物学的市场概况、解决方案及相关活动，仪器信息网本次特别邀请了美谷分子仪器（上海）有限公司（以下简称“美谷分子”）谈一谈他们的看法：

仪器信息网：您如何看待当前合成生物学产业及市场发展现状？

宋佳丽：目前全球面临最大的问题之一，是对资源的过度使用及其对环境造成的影响。尤其是制造业，因制造过程需要大量来自石油和天然气等化石燃料的能源，而这些能源的供应量在减少，价格在上涨，能源将不可持续。

在这个大背景下，利用合成生物学进行生物制造为可持续发展提供更多可能。研究人员已经成功通过微生物重组工程来生产食品、纺织品和生物制药产品，这些产品在生产过程中消耗的资源要少得多。同时，随着合成生物学在理论研究和技术上的不断发展，其应用领域不断被拓宽，包括医疗健康、食品、饮料、工业化学品、消费品、生物燃料、农业、环保等相关行业都已有应用，全面产业化值得期待。

在政策层面，全球多个国家都在布局生物制造产业，如美国、欧盟、英国等，美国在2023年发布“Bold goals of bio-technology”报告，包含了由美国农业部、美国国立卫生研究院、国家科学基金会、能源部和国防部等机构制定的一些具体战略。中国在2021年发布《“十四五”规划》和《2023年前碳达峰行动方案》后，合成生物学在能源替代、可持续发展等方面的应用优势使其再次成为关注焦点，2023年多部委和多地政府也陆续出台了对合成生物产业和生物制造相关的支持政策。可见，合成生物产业会是下一个各国争相竞争的关键领域，强大的市场潜力也将吸引更多资本进场。

仪器信息网：合成生物学产业将给科学仪器行业带来哪些市场机会？

宋佳丽：基于合成生物学在多个领域的广泛应用，以及研发端多种研究技术的使用，在科学仪器的使用上呈现更加多元的景象，除了常规实验室通用设备外，诸如DNA合成、测序、克隆筛选、微型培养等相关设备也有广泛的应用。尤其是在高通量的需求上，鉴于合成生物构建的复杂性和不确定性，需要大量的筛选和验证，由此就迫切需要更高通量、更加自动化的设备和系统来高校完成构建过程。另外，下游多种应用产品具有各自的性质和检测标准，因此也会涉及不同应用的专业设备。

因此，整个合成生物学产业的发展和市场的扩大，不仅使得现有科学仪器产品有了更广阔的市场需求，也促使科学仪器行业在高通量、自动化方向有更多的创新和发展。

仪器信息网：贵单位针对合成生物学领域推出了（或将要推出）哪些解决方案？可以应用到哪些环节？解决什么样的痛点？

宋佳丽：当前我们看到合成生物学方法为各行各业带来日益增长的发展，随着对源自重组生物学合成产品需求的增加，快速、准确的高通量微生物菌株工程和分子克隆方法变得尤为重要，而人工合成生物学工作流程仍然是劳动密集型、耗时且容易出现人为错误。

在合成生物学工作流程中，常见的瓶颈包括：样本处理通量、有效的筛选策略、数据的整合和追踪等。而自动化仪器或系统的应用能够很好解决这些问题，从而提升整个流程的效率，帮助研究人员更快的获得目标生物，加快合成生物制品产业化的进程。

在DBTL的“构建”环节，会产生大量的微生物克隆样品待测试，如何有效且高效的从中筛选出目的克隆，是整个流程中比较关键的限速环节。美谷分子公司经典的“高通量微生物克隆筛选系统QPix”，能够在这个环节帮助研究人员统一筛选标准、提高筛选通量，同时能够匹配到自动化系统中实现流程自动化，在单克隆分离(涂布)、克隆筛选和挑取、文库复制和重排等过程提供解决方案。

QPix通过白光/荧光成像进行微生物克隆的识别，结合多种筛选功能可以在筛选初期就选出那些符合要求的目的菌落，特异的96针挑头和特殊导轨设计能够实现1h挑选3000个克隆的高挑选通量，配套软件能够对图像、菌落特性、孔板数据等进行存储和追溯，开放的API端口可以与其他自动化系统连通，减少无人看守时间。

自动克隆挑选

在感兴趣的基因被扩增、组装成载体并转入微生物后，需要依据菌落形态、颜色、荧光等特征来筛选克隆，之后进行挑取和接种。传统的人工方式很难在筛选时建立统一的标准，一些特殊特征业务法实现肉眼识别，而且人工挑取效率很低，是高度重复和费时的工作。

Qpix通过成像的方式，结合软件识别算法识别待筛选克隆并给出特征参数，之后通过参数设置就可将符合要求的克隆选出，之后通过96针挑头进行挑取，3000克隆/h的通量能够满足大部分挑选需求。QPix提供多种特异形态的挑针，可针对不同种类的微生物提供更高的挑取量。不锈钢挑针可在线清洗，大大减少耗材的使用和成本。除了常规形态和荧光的克隆识别，颜色筛选、光晕筛选(抑菌圈、水解圈等)、噬菌斑、区域筛选等多种筛选模式能够匹配多种应用场景。

文库复制和重排

文库构建也是合成生物学工作流程中重要的一环，大量的构建样品需要保存，筛选后的优质克隆也需要集合保存。是否能够在流程中就完成样本保存的过程？筛选后的克隆能否通过自动化的方式进行选择和保存？

QPix在功能上特别设置了复制和重排功能，不论是在是挑选流程中设置Copy功能，还是单独的复制功能，都能高效的通过96挑头进行文库复制。用Qpix挑选后的克隆经验证是优质克隆后，可通过软件数据库进行源数据调取并从中选择优质克隆对应的孔，然后将优质克隆汇集到同一块孔板中进行收集和保存。

数据管理

面对庞大的样本量，样本特征、来源/终孔板、孔编号等数据通过手工记录不仅费时还容易出错，尤其是在跨多种仪器收集数据时，这会造成额外的FTE时间、疲劳和更高的数据丢失风险。

QPix 420系统可以辅助数据收集和存储。actuator head包含一个内置的高分辨率摄像机和一个条形码读取器，以实现可靠的数据可追溯性。图像数据被记录到具有广泛审计跟踪和样本跟踪选项的内置数据库中。基于条形码读取，QPix软件可用于跟踪有关克隆的信息，如其在源板和目的板中的位置以及挑取的日期和时间。您还可以选择为重要样本定制标签，并根据克隆的形态特征对其进行分组。

自动化集成

自动化在合成生物学中不仅体现在对某个步骤自动化设备的需求，对整个流程而言，实现全流程的自动化将是未来趋势。这就要求应用的设备不仅能够代替人工，而且能够实现跟多个设备的互联，中控系统能够从运行控制、数据传输、策略判断等实现控制。

QPix高通量微生物克隆筛选系统提供开放的API端口，能够实现与机械臂、中控系统、其他设备的连接，集成到多种工作流程中去，目前在国内已有多套合成生物学自动化平台应用QPix于其中，形成较为完善的集成解决方案。

仪器信息网：如何看待合成生物学的未来发展前景？

宋佳丽：合成生物学产业涉及非常广泛，包括像基础层的DNA&RNA合成、生物体设计和优化、相关软件等，以及在应用端包括医疗健康、食品饮料、工业化学品、消费品、生物燃料、农业等相关行业，从政策层面也能够看到各国的重视。在合成生物技术不断发展的、各国政策的大力推动下，相信合成生物产业能够在未来获得快速的发展，产业化的进程也将加快。