设计和进行大规模组合表型分析

将MANTIS®液体处理器与PlatePlan软件搭配使用，提高了高组合筛选工作流程的效率，从而提供了新的见解

组合筛选是识别优化方案条件的有效方法。它用于并行研究多个因素，包含旨在评估少数参数如何影响可量化指标的相对简单实验，比如细菌生长，以及极其复杂的研究，比如留一法 (L1O) 和留二法培养基优化。不可避免地，随着评估因素数量的增加，设计和进行组合筛选变得更具挑战性。因此，先进的软件系统和液体处理器对于简化组合筛选工作流程和最大程度地降低错误风险显得至关重要。

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员通过将 MANTIS® 液体处理器整合到已建立的深度表型分析工作流程中，能够运行以前由于需要大量移液操作而无法实现的组合筛选。将 Jenssen Lab 编写的 PlatePlan 软件与 MANTIS® 配对，最大限度地缩短了从实验设计到得出结果之间的时间。这对于在加快的时间范围内执行 L1O 和 L2O 实验至关重要。反过来，提高的工作流程效率提供了对共享相同代谢网络的不同菌株的氨基酸需求的新见解。

组合筛选的复杂性各不相同

根据所涉及的复杂程度，组合筛选可大致分为两类。低组合筛选的计划和执行相对简单，因为它们只需要在测定板的定义孔中添加一些不同的成分。高组合筛选更具挑战性，通常需要进行数千种不同的移液操作。

50 种不同小分子的成对筛选是低组合筛选的典型示例，向每个孔添加两种化合物相当于1225 种不同的条件，或 2450 次移液操作。相比之下，具有 50 种不同成分的生长培养基的 L2O 筛选是高组合筛选；它包括在每个孔中添加 48 种不同的成分，相当于超过58,000 次移液操作（图 1）。

图 1. 低组合筛选 VS 高组合筛选。

培养基筛选提出了独特的挑战

复杂程度并不是刚刚所描述的两个示例之间的唯一区别；所研究材料的性质也是一个重要因素。所提供的小分子通常是以 DMSO 或其他溶剂中的毫摩尔储备液形式，然后在测定中稀释至纳摩尔浓度。因此，任何溶剂的影响都可以忽略不计，无需为考虑向测定板添加小分子而减少工作体积。 

所提供的培养基成分同样是以毫摩尔储备液的形式存在。然而，由于它们通常是帮助细胞生长所需的毫摩尔浓度的关键代谢物，因此它们占工作体积的比例要大得多。因此，将它们添加到测定板会影响 pH、盐浓度和其他培养基成分的溶解度，使培养基筛选比筛选小分子更困难（图2）。

图 2. 小分子筛选 VS 培养基筛选。

MANTIS® 液体处理器改善了深度表型分析工作流程

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种内部深度表型分析工作流程，用于执行各种高通量筛选。在 PlatePlan 软件的支持和 MANTIS® 液体处理器的加入使用下，这一流程得到改善加强，从而能够轻松执行大规模组合 L2O 培养基优化。

简而言之，深度表型分析工作流程包括四个关键步骤：实验设计；计划和调度；实验执行；和原始数据处理，如图3所示。

图3. 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发的深度表型分析工作流程。

要使用深度表型分析工作流程执行 L2O 培养基优化，用户首先将储备溶液的浓度和所需的最终浓度以及工作体积、最大分辨率（最小分配体积）、重复次数/对照、细菌类型、布局方案、机器人配置和生长条件等参数输入到 PlatePlan 软件中 。

PlatePlan软件然后使用这些信息来进行操作计划，将储备溶液浓度转换为体积，并确定哪些试剂将分配到哪些孔中。接下来，一组技术人员和液体处理机器人在收集数据并将其提供给最终用户进行分析之前执行实验。

在深度表型分析工作流程中，MANTIS®液体处理器的五个关键特性是其被选择的关键。

首先，非接触式液体分配可实现无污染的液体处理，而且多余的塑料耗材要少得多。每次实验可节省数千个移液器吸头，极大地促进了更加具有生态和经济效益的工作流程。

其次，精度对于在广泛的体积范围内进行如此多次数的移液操作至关重要。从任何类型的储液器中分配离散体积可实现至少100nl的一致液体处理，没有上限。而MANTIS能够以 3% 的 CV 分配 100nl的溶液。 

第三，由于L2O实验中使用的储备溶液种类繁多，该系统必须与多种液体类型兼容。MANTIS®液体处理器通过轻松适应不同液体类别的粘度和溶剂浓度，能够轻松适应移液条件。 

第四，试剂配料提高了工作流程效率。通过使用 MANTIS® 大容量芯片更换器 (LC3)，设置和分配时间显著缩短，因为可以预加载多达 48 种试剂。这大大降低了操作员失误的风险。

图 4. MANTIS® 可以在任一一侧使用大容量芯片更换器 (LC3) 进行扩展。一个 LC3 可容纳 24 个芯片并包含24 个 15 mL 锥形管的适配器。通过在两侧扩展，MANTIS® 可容纳多达 48 种不同的试剂。

最后，MANTIS® 液体处理器具有开放的 API，可轻松与 PlatePlan 或其他设计实验软件应用程序集成。这是避免由于软件重新配置而导致长时间延迟的关键所在，并且能够让L2O 实验几乎即时运行。

工作流程效率的提高帮助获得新的见解

自从将 MANTIS® 液体处理器集成到深度表型分析工作流程中以来，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员每周能够进行大约3,500次培养基生长测定，相当于大约80,000 次移液操作。这包括在不到 2 周的时间内使用两种不同的条件对 4 种不同的细菌菌株进行 L1O 和 L2O 氨基酸实验。

通过提高工作流程效率，MANTIS®液体处理器使研究人员能够同时研究更多的实验参数；这反过来又揭示了新的见解。例如，通过快速生成已知在口腔微生物群中共存的四种不同细菌种类的 L2O 图谱，研究人员发现，尽管共享相同的代谢网络，但这些细菌具有非常不同的氨基酸需求。这可以在图 5 中看到。

图 5. 四种不同链球菌物种的 L2O 图谱显示 S. gordonii 的氨基酸需求量最高，而 S. sanguinus 最少。

总结

生物系统非常复杂，只有考虑到会遇到的大量组合因素才能完整地对其进行研究。研究人员使用 PlatePlan 和 MANTIS® 液体处理器实现深度表型分析等高通量工作流程，能够轻松、精确地执行高组合筛选，例如 L2O 培养基优化，并且由于没有大量移液器吸头消耗而节省了大量成本 。这一工作流程揭示了新的见解，而不会因为可能会因孤立地筛选较少的因素而被遗漏。