合成生物学的新基建！新型平台高效改造菌株，开启自动化新时代！

合成生物学是一项将工程原理引入生物体的科学，也是一门造物的艺术。

科学家通过基因编辑技术改造微生物底盘细胞以生产有价值的产物，“生物铸造厂”的概念应运而生。

但由于生命体的高度复杂性，改造菌株以适应特定需求的过程中，需要大量的实验。

而许多实验室还停留在人工阶段，依靠手动操作，导致成本高、进展缓慢。

如何高效实现细菌的工程改造，成为行业面临的关键挑战。

要解决这一痛点，使用高通量、自动化的筛选平台结合可靠而高效的转化方法至关重要。

近日，欧洲最大研究机构之一德国于利希研究中心发表了一项研究数据，介绍了如何构建革兰氏阳性细菌的高通量自动化基因组编辑平台。

这项重要进展向我们展示了未来研究设施的模样，一个充满无限可能的生物工程新时代正在拉开帷幕。

科学家开发自动化

细菌改造平台

为了创建用于自动化菌株工程的多功能生物铸造厂，德国于利希研究中心的科研团队构建出了AutoBioTech平台。

这个全自动实验室系统包括液体处理系统、培养和孵化设备、冷却设备、PCR热循环仪和平板光度计等设备，并通过台式轨道上的机器人操纵臂进行连接。

▲ 图：AutoBioTech平台示意图

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整个系统在调度软件的统一管理下运行，实验流程可以根据设备的使用情况和实验需求进行优化。

这种智能化的调度不仅提高了设备的利用率，减少了实验等待时间，还增强了实验的可重复性。

结果显示，AutoBioTech实现了从DNA组装、转化到筛选等一系列流程的全自动化，无需人工干预即可实现革兰氏阴性和阳性细菌菌株的工程改造，在提升效率的同时也有很高的可靠性。

值得一提的是，为了实现自动化和灵活的基因组编辑，研究中采用了CRISPR/Cas9基因编辑方法，并构建了三种不同转化技术的自动化流程：

传统的热激（Heat Shock）

新开发的电穿孔（Electroporation）

细菌接合（conjugation）技术

Nucleofection™核转技术是电穿孔技术中的高效方法，是实现困难的核内基因编辑（如CRISPR）的常用手段，并可提高实验稳定性。

不过，之前由于缺少配合细菌自动化的电穿孔设备，这项技术未被合成生物学广泛使用。

而随着Lonza公司的96孔4D-Nucleofector™设备的问世，这一难题迎来有效解决。

团队将该设备集成到AutoBioTech平台中，开发了一种全自动的细菌电穿孔转化工作流程，可实现多达 92 个平行、独立的谷氨酸梭菌C. glutamicum转化。（如需了解更多，欢迎扫描文末二维码观看视频回放）

研究中心通过对比几种技术的工作流程、基因编辑效率和稳定性，最终证明使用电穿孔技术可以实现更稳健的高通量自动化改造底盘细菌。

该团队表示，该自动化电穿孔工作流程还将应用在更多与工业相关的革兰氏阳性生物（如枯草芽孢杆菌）。

未来，这项技术有望扩展到各种耐氧细菌和真核生物，向一种真正意义上的通用型生物工程平台迈进。

科研利器

攻克合成生物难题

转染是将外源基因（如 DNA、RNA）导入到细胞内的技术，被广泛应用于生命科学领域。

在合成生物学中，转染让精心设计的基因构建体能够顺利进入细胞内部，从而启动后续的基因表达和生物功能调控过程，以获得特定产物。

通俗来说，转染就相当于将“产地图纸”传递给“制造车间”的过程，具有十分关键的作用。

但在实际操作中，转染面临效率与细胞存活率难以兼顾的痛点，行业亟需一种更加高效、安全、便捷的方法。

起源于上世纪80年代的电转技术，通过脉冲电流在细胞膜上打孔将外源分子导入细胞内，具有操作简单、效率高等优势，已成为非病毒载体转染中常用的方法之一。

但传统电转存在着不少缺陷，如可能会对细胞造成严重的物理性损伤，并且对原代细胞的转染效率较低。

而Nucleofector™技术为代表的新型电转方法的出现，有效解决了上述问题。

Nucleofector™技术基于电脉冲在细胞膜上瞬间产生小孔，综合Lonza独创的转染体系（即细微差别的电脉冲条件和细胞特异性试剂的组合），使核酸底物可以直接进入细胞核。

结果显示，无论是原代细胞（干细胞、神经细胞、免疫细胞等），还是细胞系，每次都可重复出很高的转染效率，最高可达99%，从根本上解决电转的细胞转染效率与成活率问题。

据不完全统计，借力Lonza Nucleofector™的文章多达数万篇，其中不乏发表于Nature, Science, Cell, Nature medicine, Nature cell biology, Cell stem cell等高水平期刊的佳作。

化学顶级综述杂志Chemical Reviews

与此同时，不断优化升级的配套设备，则进一步释放出这项尖端技术的潜力。

Lonza于近期开发的新一代4D-Nucleofector™转染系统，能够提供更加灵活的多模块，使得细胞得到更好的转染效果。

从实际需求出发，Lonza 4D Nucleofector™平台开发了从低通量到高通量，小体积到大体积的电转染，研发到生产规模的设备型号，保证从小体系筛选到大规模电转的可行性和放大工艺可转移。

而与其他电转方法相比，4D-Nucleofector™核转系统，除了Lonza所研发的适用于不同实验目的的电转仪设备之外，还配套不同细胞专属的电转试剂。

该系统改进了传统金属电极材质的电极杯，通过高分子导电聚合物稳定电脉冲发生的过程，避免金属离子释放对细胞带来的毒性。

此外，Lonza全球开放并长期更新的数据库 (https://knowledge.lonza.com/)更是包含了超过700种即用型protocol（包括细胞培养，传代、电转准备、电转方案、孵育方法以及优化方案）及海量的资料和应用FAQ（且一直在实际各地技术团队的协作下不断更新）。

这也是Lonza电转产品的又一个重要特色，帮助研究人员在电转系统的使用中轻松上手，实验操作无忧。

写在最后

在合成生物学的征程中，我们已然站在了一个关键的转折点上。

针对新型生产菌株不断增长的需求，高通量、自动化的改造平台成为关键“新基建”。

德国于利希研究中心的AutoBioTech平台的成功构建，向我们展示出高效、精准且自动化系统的巨大魅力。其中，以4D Nucleofector™为代表的先进设备扮演着不可或缺的重要角色。

展望未来，新型设施将构筑起合成生物学的坚实基石，助力解锁更多生命的奥秘，推动生物造万物这一充满无限可能的新时代的全面到来。

以下文章来源于Lonza Bioscience，作者Lonza Bioscience