前言

合成生物学是兴起于21世纪的新兴学科，它结合分子生物学、微生物学、生物化学、工程学、信息学等多个学科，旨在设计和建造新的生物部件、装置和系统，或者重新优化已有的天然生物系统来生产特定的物质或解决人类面临的健康、环境等方面的问题。
 

但是传统的的实验室需要耗费大量的时间、人力和研发经费，缺乏理性的设计，需要大量的试错。另一方面，目前的生物学研究还是劳动密集型的，或者小作坊式的。而将工程化、自动化、标准化引入到合成生物学研究当中来，用机器人和自动化来做生物实验，就可以大大的加快合成生物学的研究的进程。

本期展示目前在全球比较具有代表性的自动化合成生物研究平台，包括美国 UIUC、爱丁堡大学、英国的帝国理工大学（详见下期），以及上海曼森生物在合成生物研究科技基础设施等。

01 伊利诺伊大学自动化实验室

IBioFAB自动化实验室（详细视频介绍请点击公众号原文查看）

图1

目标需求

伊利诺伊大学研究人员为了有效提高实验室微生物在合成生物学中的应用，建立了IBioFAB自动化实验室（图1）。

实施过程

作为世界上第一个用于合成生物学应用的自动化中心，UIUC 的IBioFAB（Illinois Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing）成立于2014 年3月。IBioFAB由两部分组成。一部分是进行设计-构建-测试-分析的自动化研究循环的计算设计框架，另一部分是可自动化进行 DNA 的克隆、组装、异源表达以及产物检测的集成机器人系统。这个机器人系统具有一个6个自由度的机械臂、一个复杂的样品跟踪系统和用于各种平台生物的元件和模块库。其中灵活的机械臂可以在 5 米长的轨道上行进，为平台中的20多台仪器间传送微孔板。早期，他们开发了一个全自动的方法实现了在1天内成功构建1,000种不同的 TALEN 蛋白，且从预先设计到最终可以表达的质粒具有高于 98%的正确组装效率。

关键技术

模块化技术，柔性化技术，自动化技术。

效益分析

该全自动的方法实现了在1天内成功构建1,000种不同的 TALEN 蛋白，且从预先设计到最终可以表达的质粒具有高于 98%的正确组装效率。这将每个 TALEN 合成的成本从超过1,000 美元直接降到低于10美元。
 

图2

美国伊利诺伊大学iBioFab的全自动工作平台，来自Thermo Fisher的机械手负责传递样品（图2），从而连接各个功能模块和储藏设备，完全脱离人工实验操作。
 

02 曼森生物自动化实验室

分液机器人（详细视频介绍请点击公众号原文查看）


型号：LabRob-FX

用途：将液体自动定量分装到各种容器中，适合分装试管、三角瓶、试剂瓶、组培瓶、蓝盖瓶、烧杯、培养皿、微孔板等形式的容器，
特点：采用协作机器人进行液体分装，通量高、速度快、灵活性大、兼容容器形式多，特别是可以分装接触皿
应用：食品药品微生物分离与计数、 海洋、 陆地环境微生物分离与纯化、 工业微生物分离与筛选、 病原微生物分离与鉴别、 转板、 抗体实验、 细胞组织培养、 核酸检测等。

曼森生物食品药品自动化检测平台

 

曼森生物自动化实验室

 

 

↑↑上海曼森生物自动化实验室

 

03、爱丁堡基因组平台（TheEdinburghGenomeFoundry，EGF）是位于英国六大合成生物学中心之一爱丁堡大学的一个专门使用高度自动化组装大型 DNA 片段的研究机构。（详细视频介绍请关注公众号原文查看）

EGF 可以产生和修饰长达 1 兆碱基对的 DNA 链，以使细胞或整个生物具有新的或改进的功能，可用于编程干细胞来实现个性化医疗，生产疾病检测细菌和增加生物燃料作物的产量。

 

主要设施和能力

第一， 该平台致力于开发用于复杂 DNA 构建项目的软件，并与 Autodesk 合作开发了一种基于网络的、开源的、用户友好的、强大的设计工具——Genetic Constructor，专门用于设计大型 DNA 构建体和组合文库。第二，其多功能的机器人平台可用于广泛的DNA 操作实验，例如 Golden Gate 组装、Gibson 组装、酵母重组以及质粒小提等。第三，该平台可进行一系列的细胞表型分析，包括质谱、定量PCR、高通量微发酵及动力学分析等。第四，该平台可实现对所有的设计、构建和测试过程的监控，以不断优化装配流水线，利用全自动 DNA 装配提供的高度可重复的数据，为机器学习提供基础。

 

产品和服务

其主要提供的产品和服务主要包括三方面。首先是DNA 组装服务，EGF为学术和工业客户制造 DNA 材料，尤其是涉及大序列（大于5000 个碱基的序列）大量遗传模块或组合文库的高通量项目。其次是提供广泛的自动化分子生物学实验流程和参数，包括 DNA 转化和纯化，qPCR，平板影印，菌落挑选，动力学实验。此外，EGF 还具有一系列酵母菌株库，可在爱丁堡大学内部销售。


 

04、帝国理工学院合成生物学实验平台（London DNA Foundry）

合成生物学实验平台属于创新和知识中心 SynbiCITE，采用的是一种公私合作、追求将想法和研究商业化的运作模式。专门从事“合成生物学相关的设计、组装、验证和塑造”，为科学家提供一套领先的机器人技术、自动化分析设备、指导和培训。该平台对 SynbiCITE 广泛的合作伙伴（包括 17个英国大学和由跨国公司，中小企业和初创公司组成的 50 多个工业和商业合作伙伴）开放。

应用功能

其工作重点是服务可以从自动化平台的高吞吐量中获益的具有商业或实际应用的行业领导项目。平台主要被用来支持和促进生物系统设计和建造的“设计-构建-测试-报告-学习”循环框架的系统化和标准化，并通过与提供资源和专业知识的工业合作伙伴的一些特殊合作获得最先进的技术。

平台目标

其目标主要包括四个方面：建立一个最先进的DNA 合成和构建平台、进行合成生物学的基础设施建设、支持英国的合成生物学的工业发展和为研究人员（学术界和工业界）提供支持和培训。

配套设施及能力

其配套设施及能力包括以下几个方面。第一，该平台具有一系列商业和专有的 BioCAD/CAM 工具，用于快速和可扩展的转基因和实验设计。第二，该平台的常规和声学液体处理机器人平台可用于并行构建和组装多个 DNA 片段，并利用软件来编程和调度自动化。第三，该平台具有一套用于元数据采集的高通量分析/测试设备，允许对一系列生物产品进行表征和定量分析。第四，基于网络的实验室信息管理系统（LIMS）被用来追踪任何装配或实验的工作流程及数据参数。第五，通过数据分析来完成建造-设计循环，利用对数据的统计解释和模型创建来优化原来的设计循环。
 

文章来源：本文由上海曼森生物整理提供 

内容审核：郝玉有博士

排版校对：刘娟娟编辑