未來已來，科幻大片中機(jī)器人占領(lǐng)地球？也許不是沒可能！

2019在北京舉行的世界機(jī)器人大會(huì)讓大家一飽眼福，體會(huì)到目前基于機(jī)器的自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)已應(yīng)用于衣食住行的各個(gè)方面，甚至在生物學(xué)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，自動(dòng)化與高通量的實(shí)驗(yàn)方式也正在成為工業(yè)級(jí)研究的新趨勢。

 

2019世界機(jī)器人大會(huì)展覽[1]

 

為什么需要自動(dòng)化高通量？

 

•提到自動(dòng)化（Automation），大家首先想到的是機(jī)器代替部分人工工作，通過系統(tǒng)控制和完成操作過程：  

生物實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往有不確定性，有些實(shí)驗(yàn)難以重復(fù)，自動(dòng)化可以解決源于生物研究者造成的人工誤差和錯(cuò)誤等，節(jié)省工作時(shí)間，提升實(shí)驗(yàn)效率，有效避免樣品的污染，提高實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性；與自動(dòng)化儀器結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的詳細(xì)記錄和存儲(chǔ)，讓實(shí)驗(yàn)問題有跡可循。

 

•其實(shí)自動(dòng)化不僅僅是代替人工，更要超越人工：  

原本1次/人檢測一個(gè)樣品，通過自動(dòng)化高通量（High-throughput）設(shè)備可以一次同時(shí)檢測幾十甚至幾百個(gè)樣品，同時(shí)讀取大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高通量快速檢測和篩選的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

 

•另外，自動(dòng)化應(yīng)用還可以向微型化高靈敏的方向發(fā)展，更小的反應(yīng)體系僅需少量樣本即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)樣品的消耗。 

 

在分子生物學(xué)中的應(yīng)用

 

過去幾年，基因編輯技術(shù)的廣泛應(yīng)用已將其產(chǎn)業(yè)化升級(jí)的需求提到了至關(guān)重要的高度。先跟我一起回顧下基因編輯大小鼠的構(gòu)建流程吧：

 

基因編輯動(dòng)物構(gòu)建流程[2]

 

當(dāng)然有個(gè)完美周到的設(shè)計(jì)方案是工作開始的前提，那么之后：目的基因測序—sgRNA活性篩選—目的基因合成—載體構(gòu)建和RNA制備—質(zhì)粒提取—顯微注射—陽性小鼠出生—PCR鑒定、southern blot鑒定；自動(dòng)化儀器設(shè)備的發(fā)展使分子生物學(xué)部分中樣本的處理、提取和檢測等各個(gè)環(huán)節(jié)逐步由人工勞動(dòng)力向自動(dòng)化高通量轉(zhuǎn)變，大大提高技術(shù)精度和工作效率。

來，讓我們舉個(gè)栗子

 

1）液體處理

曾記學(xué)生時(shí)代在手持移液器時(shí)進(jìn)行批量操作時(shí)，手已累殘槍頭沒裝緊移液只有一半，剛加過的孔瞬間忘記加到了哪里，這個(gè)孔我剛加過了嗎？

工業(yè)生產(chǎn)，為客戶提供服務(wù)，這種狀況可不允許發(fā)生。在分子生物學(xué)工作站引入Beckman自動(dòng)化移液系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)的完成96孔板的位置定位，高精度的加樣，靈活的八通道頭可以獨(dú)立控制[3]，具有很大限度的靈活性，也避免了人員操作可能帶來的樣品污染。能夠完成移液、梯度稀釋、分液及合并液體等液體處理工作。在基因編輯小鼠制備的質(zhì)粒提取、基因組DNA純化和PCR體系設(shè)置階段均可以應(yīng)用。

 

百奧賽圖基因編輯平臺(tái)自動(dòng)移液工作站

 

2）樣品合成

  從1970年首例人工基因合成到現(xiàn)在，DNA合成在當(dāng)代已經(jīng)不是什么難事了，而合成的快、準(zhǔn)、很~~~多才是發(fā)展趨勢，化學(xué)法合成的通量比較低，合成長度也有限，微陣列介導(dǎo)的DNA高通量合成技術(shù)逐漸興起， Twist Bioscience獨(dú)特的基于半導(dǎo)體硅芯片的DNA合成技術(shù)能夠高通量、低成本的合成DNA，產(chǎn)量較普通PCR合成更高，且無需再次擴(kuò)增，合成長度可達(dá)1.8kb，合成量100-1000μg[4]。這一高通量技術(shù)的應(yīng)用可大大提升DNA合成的通量和效率。

 

硅芯片DNA合成平臺(tái)與傳統(tǒng)96孔板DNA合成對比[4]

 

3）樣品處理

常規(guī)質(zhì)粒提取和純化為堿裂解法，但面臨菌液多，裂解不充分，質(zhì)粒提取量較低的問題[5] 。全自動(dòng)核酸提取儀以經(jīng)典的磁珠分離技術(shù)完成核酸自動(dòng)化提取，快速完成磁珠和廢液的分離，省去必需的離心和過濾的操作，可高通量處理樣品，提高核酸提取的一致性。全自動(dòng)核酸提取儀發(fā)展趨勢是與PCR反應(yīng)相結(jié)合，從提取分離純化到擴(kuò)增直接完成。

4）樣品檢測和篩選

作為基因編輯小鼠每年>1500個(gè)課題生產(chǎn)量的服務(wù)公司，鼠尾PCR 鑒定的數(shù)量可以說是相當(dāng)龐大的，繞地球幾圈當(dāng)然我還沒算過，不過我知道自動(dòng)化PCR擴(kuò)增儀可少不了，這個(gè)恐怕也是大家接觸zui多也應(yīng)用zui多的自動(dòng)化設(shè)備了。

PCR反應(yīng)過程需要變換至少三個(gè)溫度，高溫變性，低溫退火，中溫延伸。三個(gè)溫度的變化速度平穩(wěn)，耗時(shí)少，通量高越來越成為自動(dòng)化發(fā)展的方向。第一代PCR擴(kuò)增儀使用機(jī)械手臂將樣品在三個(gè)恒定溫度水浴箱中切換，不需升降溫，時(shí)間短，但是樣品移動(dòng)過程在空氣中易被污染，水溫溫度不易保持穩(wěn)定。第二代自動(dòng)化控制定性PCR擴(kuò)增儀利用變溫金屬塊作為恒溫裝置，通過半導(dǎo)體加熱或者冷卻，溫度變換平穩(wěn)，酶活性高，耗時(shí)較長[6]。第三代實(shí)時(shí)定量PCR儀加入熒光物質(zhì)，可檢測PCR進(jìn)程信號(hào)變化，快速定量完成PCR擴(kuò)增[7]。

 

百奧賽圖自動(dòng)化PCR擴(kuò)增儀工作站

 

生物領(lǐng)域研究過程可以用到的自動(dòng)化和高通量設(shè)備數(shù)不勝數(shù)，這里就不一一介紹了，定制化整合集成的自動(dòng)化設(shè)備是將來的發(fā)展趨勢，不要驚訝于科幻大片的場景，可能某一天實(shí)驗(yàn)室里、生產(chǎn)車間里看到瓶瓶罐罐井然有序的自己工作著 已然是常態(tài)了。

 

參考資料：

[1]https://www.worldrobotconference.com/html/bolanhui/canzhanshang/bolanhuixinwen/2019/0822/866.html

[2]Shao, Y., Guan, Y., Wang, L., Qiu, Z., Liu, M., Chen, Y., … Li, D. (2014). CRISPR/Cas-mediated genome editing in the rat via direct injection of one-cell embryos. Nature Protocols, 9(10), 2493–2512.

[3]http : // www. beckmancoulter . cn / ls-discovery / automation / liquid - handlers / biomek - 4000 . html

[4]https://www.twistbioscience.com

[5]Tan, S. C., & Yiap, B. C. (2009). DNA, RNA, and Protein Extraction: The Past and The Present. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2009, 1–10.

[6]http://www.gbw114.com/news/n4650.html

[7]VanGuilder, H. D., Vrana, K. E., & Freeman, W. M. (2008). Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. BioTechniques, 44(5), 619–626.
 

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