合成生物學(xué)是一項將工程原理引入生物體的科學(xué)，也是一門造物的藝術(shù)。

科學(xué)家通過基因編輯技術(shù)改造微生物底盤細(xì)胞以生產(chǎn)有價值的產(chǎn)物，“生物鑄造廠”的概念應(yīng)運(yùn)而生。

但由于生命體的高度復(fù)雜性，改造菌株以適應(yīng)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(dǎo)致成本高、進(jìn)展緩慢。

如何高效實現(xiàn)細(xì)菌的工程改造，成為行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

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

近日，歐洲最大研究機(jī)構(gòu)之一德國于利希研究中心發(fā)表了一項研究數(shù)據(jù)，介紹了如何構(gòu)建革蘭氏陽性細(xì)菌的高通量自動化基因組編輯平臺。

這項重要進(jìn)展向我們展示了未來研究設(shè)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(xué)家開發(fā)自動化

細(xì)菌改造平臺

為了創(chuàng)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(tuán)隊構(gòu)建出了AutoBioTech平臺。

這個全自動實驗室系統(tǒng)包括液體處理系統(tǒng)、培養(yǎng)和孵化設(shè)備、冷卻設(shè)備、PCR熱循環(huán)儀和平板光度計等設(shè)備，并通過臺式軌道上的機(jī)器人操縱臂進(jìn)行連接。

▲ 圖：AutoBioTech平臺示意圖

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整個系統(tǒng)在調(diào)度軟件的統(tǒng)一管理下運(yùn)行，實驗流程可以根據(jù)設(shè)備的使用情況和實驗需求進(jìn)行優(yōu)化。

這種智能化的調(diào)度不僅提高了設(shè)備的利用率，減少了實驗等待時間，還增強(qiáng)了實驗的可重復(fù)性。

結(jié)果顯示，AutoBioTech實現(xiàn)了從DNA組裝、轉(zhuǎn)化到篩選等一系列流程的全自動化，無需人工干預(yù)即可實現(xiàn)革蘭氏陰性和陽性細(xì)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(xiàn)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(gòu)建了三種不同轉(zhuǎn)化技術(shù)的自動化流程：

傳統(tǒng)的熱激（Heat Shock）

新開發(fā)的電穿孔（Electroporation）

細(xì)菌接合（conjugation）技術(shù)

Nucleofection™核轉(zhuǎn)技術(shù)是電穿孔技術(shù)中的高效方法，是實現(xiàn)困難的核內(nèi)基因編輯（如CRISPR）的常用手段，并可提高實驗穩(wěn)定性。

不過，之前由于缺少配合細(xì)菌自動化的電穿孔設(shè)備，這項技術(shù)未被合成生物學(xué)廣泛使用。

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

團(tuán)隊將該設(shè)備集成到AutoBioTech平臺中，開發(fā)了一種全自動的細(xì)菌電穿孔轉(zhuǎn)化工作流程，可實現(xiàn)多達(dá) 92 個平行、獨立的谷氨酸梭菌C. glutamicum轉(zhuǎn)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(shù)的工作流程、基因編輯效率和穩(wěn)定性，最終證明使用電穿孔技術(shù)可以實現(xiàn)更穩(wěn)健的高通量自動化改造底盤細(xì)菌。

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

未來，這項技術(shù)有望擴(kuò)展到各種耐氧細(xì)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(jìn)。

科研利器

攻克合成生物難題

轉(zhuǎn)染是將外源基因（如 DNA、RNA）導(dǎo)入到細(xì)胞內(nèi)的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。

在合成生物學(xué)中，轉(zhuǎn)染讓精心設(shè)計的基因構(gòu)建體能夠順利進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，從而啟動后續(xù)的基因表達(dá)和生物功能調(diào)控過程，以獲得特定產(chǎn)物。

通俗來說，轉(zhuǎn)染就相當(dāng)于將“產(chǎn)地圖紙”傳遞給“制造車間”的過程，具有十分關(guān)鍵的作用。

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

起源于上世紀(jì)80年代的電轉(zhuǎn)技術(shù)，通過脈沖電流在細(xì)胞膜上打孔將外源分子導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)，具有操作簡單、效率高等優(yōu)勢，已成為非病毒載體轉(zhuǎn)染中常用的方法之一。

但傳統(tǒng)電轉(zhuǎn)存在著不少缺陷，如可能會對細(xì)胞造成嚴(yán)重的物理性損傷，并且對原代細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率較低。

而Nucleofector™技術(shù)為代表的新型電轉(zhuǎn)方法的出現(xiàn)，有效解決了上述問題。

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

結(jié)果顯示，無論是原代細(xì)胞（干細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、免疫細(xì)胞等），還是細(xì)胞系，每次都可重復(fù)出很高的轉(zhuǎn)染效率，zui高可達(dá)99%，從根本上解決電轉(zhuǎn)的細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率與成活率問題。

據(jù)不統(tǒng)計，借力Lonza Nucleofector™的文章多達(dá)數(shù)萬篇，其中不乏發(fā)表于Nature, Science, Cell, Nature medicine, Nature cell biology, Cell stem cell等高水平期刊的佳作。

化學(xué)頂級綜述雜志Chemical Reviews

與此同時，不斷優(yōu)化升級的配套設(shè)備，則進(jìn)一步釋放出這項技術(shù)的潛力。

Lonza于近期開發(fā)的新一代4D-Nucleofector™轉(zhuǎn)染系統(tǒng)，能夠提供更加靈活的多模塊，使得細(xì)胞得到更好的轉(zhuǎn)染效果。

從實際需求出發(fā)，Lonza 4D Nucleofector™平臺開發(fā)了從低通量到高通量，小體積到大體積的電轉(zhuǎn)染，研發(fā)到生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)備型號，保證從小體系篩選到大規(guī)模電轉(zhuǎn)的可行性和放大工藝可轉(zhuǎn)移。

而與其他電轉(zhuǎn)方法相比，4D-Nucleofector™核轉(zhuǎn)系統(tǒng)，除了Lonza所研發(fā)的適用于不同實驗?zāi)康牡碾娹D(zhuǎn)儀設(shè)備之外，還配套不同細(xì)胞專屬的電轉(zhuǎn)試劑。

該系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)金屬電極材質(zhì)的電極杯，通過高分子導(dǎo)電聚合物穩(wěn)定電脈沖發(fā)生的過程，避免金屬離子釋放對細(xì)胞帶來的毒性。

此外，Lonza全球開放并長期更新的數(shù)據(jù)庫 更是包含了超過700種即用型protocol（包括細(xì)胞培養(yǎng)，傳代、電轉(zhuǎn)準(zhǔn)備、電轉(zhuǎn)方案、孵育方法以及優(yōu)化方案）及海量的資料和應(yīng)用FAQ（且一直在實際各地技術(shù)團(tuán)隊的協(xié)作下不斷更新）。

這也是Lonza電轉(zhuǎn)產(chǎn)品的又一個重要特色，幫助研究人員在電轉(zhuǎn)系統(tǒng)的使用中輕松上手，實驗操作無憂。

寫在最后

在合成生物學(xué)的征程中，我們已然站在了一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點上。

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

德國于利希研究中心的AutoBioTech平臺的成功構(gòu)建，向我們展示出高效、精準(zhǔn)且自動化系統(tǒng)的巨大魅力。其中，以4D Nucleofector™為代表的先進(jìn)設(shè)備扮演著重要角色。

展望未來，新型設(shè)施將構(gòu)筑起合成生物學(xué)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