合成生物學是一項將工程原理引入生物體的科學，也是一門造物的藝術。

科學家通過基因編輯技術改造微生物底盤細胞以生產有價值的產物，“生物鑄造廠”的概念應運而生。

但由于生命體的高度復雜性，改造菌株以適應特定需求的過程中，需要大量的實驗。

而許多實驗室還停留在人工階段，依靠手動操作，導致成本高、進展緩慢。

如何高效實現細菌的工程改造，成為行業面臨的關鍵挑戰。

要解決這一痛點，使用高通量、自動化的篩選平臺結合可靠而高效的轉化方法至關重要。

近日，歐洲最大研究機構之一德國于利希研究中心發表了一項研究數據，介紹了如何構建革蘭氏陽性細菌的高通量自動化基因組編輯平臺。

這項重要進展向我們展示了未來研究設施的模樣，一個充滿無限可能的生物工程新時代正在拉開帷幕。

科學家開發自動化

細菌改造平臺

為了創建用于自動化菌株工程的多功能生物鑄造廠，德國于利希研究中心的科研團隊構建出了AutoBioTech平臺。

這個全自動實驗室系統包括液體處理系統、培養和孵化設備、冷卻設備、PCR熱循環儀和平板光度計等設備，并通過臺式軌道上的機器人操縱臂進行連接。

▲ 圖：AutoBioTech平臺示意圖

掃描文末二維碼可查看完整視頻

整個系統在調度軟件的統一管理下運行，實驗流程可以根據設備的使用情況和實驗需求進行優化。

這種智能化的調度不僅提高了設備的利用率，減少了實驗等待時間，還增強了實驗的可重復性。

結果顯示，AutoBioTech實現了從DNA組裝、轉化到篩選等一系列流程的全自動化，無需人工干預即可實現革蘭氏陰性和陽性細菌菌株的工程改造，在提升效率的同時也有很高的可靠性。

值得一提的是，為了實現自動化和靈活的基因組編輯，研究中采用了CRISPR/Cas9基因編輯方法，并構建了三種不同轉化技術的自動化流程：

傳統的熱激（Heat Shock）

新開發的電穿孔（Electroporation）

細菌接合（conjugation）技術

Nucleofection™核轉技術是電穿孔技術中的高效方法，是實現困難的核內基因編輯（如CRISPR）的常用手段，并可提高實驗穩定性。

不過，之前由于缺少配合細菌自動化的電穿孔設備，這項技術未被合成生物學廣泛使用。

而隨著Lonza公司的96孔4D-Nucleofector™設備的問世，這一難題迎來有效解決。

團隊將該設備集成到AutoBioTech平臺中，開發了一種全自動的細菌電穿孔轉化工作流程，可實現多達 92 個平行、獨立的谷氨酸梭菌C. glutamicum轉化。（如需了解更多，歡迎掃描文末二維碼觀看視頻回放）

研究中心通過對比幾種技術的工作流程、基因編輯效率和穩定性，最終證明使用電穿孔技術可以實現更穩健的高通量自動化改造底盤細菌。

該團隊表示，該自動化電穿孔工作流程還將應用在更多與工業相關的革蘭氏陽性生物（如枯草芽孢桿菌）。

未來，這項技術有望擴展到各種耐氧細菌和真核生物，向一種真正意義上的通用型生物工程平臺邁進。

科研利器

攻克合成生物難題

轉染是將外源基因（如 DNA、RNA）導入到細胞內的技術，被廣泛應用于生命科學領域。

在合成生物學中，轉染讓精心設計的基因構建體能夠順利進入細胞內部，從而啟動后續的基因表達和生物功能調控過程，以獲得特定產物。

通俗來說，轉染就相當于將“產地圖紙”傳遞給“制造車間”的過程，具有十分關鍵的作用。

但在實際操作中，轉染面臨效率與細胞存活率難以兼顧的痛點，行業亟需一種更加高效、安全、便捷的方法。

起源于上世紀80年代的電轉技術，通過脈沖電流在細胞膜上打孔將外源分子導入細胞內，具有操作簡單、效率高等優勢，已成為非病毒載體轉染中常用的方法之一。

但傳統電轉存在著不少缺陷，如可能會對細胞造成嚴重的物理性損傷，并且對原代細胞的轉染效率較低。

而Nucleofector™技術為代表的新型電轉方法的出現，有效解決了上述問題。

Nucleofector™技術基于電脈沖在細胞膜上瞬間產生小孔，綜合Lonza轉染體系（即細微差別的電脈沖條件和細胞特異性試劑的組合），使核酸底物可以直接進入細胞核。

結果顯示，無論是原代細胞（干細胞、神經細胞、免疫細胞等），還是細胞系，每次都可重復出很高的轉染效率，zui高可達99%，從根本上解決電轉的細胞轉染效率與成活率問題。

據不統計，借力Lonza Nucleofector™的文章多達數萬篇，其中不乏發表于Nature, Science, Cell, Nature medicine, Nature cell biology, Cell stem cell等高水平期刊的佳作。

化學頂級綜述雜志Chemical Reviews

與此同時，不斷優化升級的配套設備，則進一步釋放出這項技術的潛力。

Lonza于近期開發的新一代4D-Nucleofector™轉染系統，能夠提供更加靈活的多模塊，使得細胞得到更好的轉染效果。

從實際需求出發，Lonza 4D Nucleofector™平臺開發了從低通量到高通量，小體積到大體積的電轉染，研發到生產規模的設備型號，保證從小體系篩選到大規模電轉的可行性和放大工藝可轉移。

而與其他電轉方法相比，4D-Nucleofector™核轉系統，除了Lonza所研發的適用于不同實驗目的的電轉儀設備之外，還配套不同細胞專屬的電轉試劑。

該系統改進了傳統金屬電極材質的電極杯，通過高分子導電聚合物穩定電脈沖發生的過程，避免金屬離子釋放對細胞帶來的毒性。

此外，Lonza全球開放并長期更新的數據庫 更是包含了超過700種即用型protocol（包括細胞培養，傳代、電轉準備、電轉方案、孵育方法以及優化方案）及海量的資料和應用FAQ（且一直在實際各地技術團隊的協作下不斷更新）。

這也是Lonza電轉產品的又一個重要特色，幫助研究人員在電轉系統的使用中輕松上手，實驗操作無憂。

寫在最后

在合成生物學的征程中，我們已然站在了一個關鍵的轉折點上。

針對新型生產菌株不斷增長的需求，高通量、自動化的改造平臺成為關鍵“新基建”。

德國于利希研究中心的AutoBioTech平臺的成功構建，向我們展示出高效、精準且自動化系統的巨大魅力。其中，以4D Nucleofector™為代表的先進設備扮演著重要角色。

展望未來，新型設施將構筑起合成生物學的堅實基石，助力解鎖更多生命的奧秘，推動生物造萬物這一充滿無限可能的新時代的全面到來。

以下文章來源于Lonza Bioscience，作者Lonza Bioscience