Synthetische Biologie
Neugestaltete Biologie zur Schaffung und Verbesserung von Organismen.
Was ist synthetische Biologie?
Synthetische Biologie ist ein breit gefasster Begriff, der sich auf die Manipulation von Stoffwechselwegen bezieht, um Mikroben dazu zu bringen, Proteine in einer sehr vorhersehbaren Weise durch den Einsatz von technologischen Prinzipien herzustellen. Manchmal werden einzelne Gene verändert, manchmal werden ganze Genome für gewünschte Eigenschaften bearbeitet.
Die synthetische Biologie ist ein interdisziplinäres Gebiet, das Prinzipien aus der Biologie, dem Ingenieurwesen und der Informatik kombiniert, um biologische Teile, Geräte und Systeme mit neuartigen Funktionen oder Fähigkeiten zu entwerfen und zu konstruieren. Sie verfügt über das Potential, Anwendungen im akademischen und industriellen Umfeld wesentlich voranzubringen, darunter die Generierung neuartiger Therapeutika und Impfstoffe, die Pflanzenwissenschaften und die Biokraftstoffe. Der Fokus liegt häufig auf der Generierung, Charakterisierung und Isolierung von Teilen natürlicher biologischer Systeme, bevor sie als Komponenten eines künstlich hergestellten biologischen Signalwegs verwendet werden.
Ein Warenzeichen für die synthetische Biologie ist die Anwendung rationaler Prinzipien auf das Design und den Zusammenbau dieser biologischen Komponenten. Selbst bei einem rationalen Design sind die Auswirkungen der Einführung fremder DNA in eine Zelle schwer vorherzusagen. Dies führt dazu, dass mehrere Permutationen getestet werden müssen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Die Betonung des modularen Aufbaus von DNA-Teilen ermöglicht den Zusammenbau einer größeren Vielfalt möglicher Konstrukte durch den Austausch der Einzelkomponenten. Die Automatisierung des Prozesses des Zusammenbaus reduziert den Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand für die Erstellung mehrerer Konstrukte und ermöglicht so eine Erhöhung des Durchsatzes bei einem insgesamt verkürzten Entwicklungszyklus.
Bei diesem Verfahren werden Doppelstrang-DNA-Fragmente für eine einfache Genkonstruktion konzipiert. Die assemblierten Konstrukte werden in der Regel in einen Expressionsvektor kloniert und mit Kolonie-qPCR oder Sequenzierung der nächsten Generation (Next-Generation Sequencing, NGS) verifiziert. In einigen Arbeitsabläufen mit hohem Durchsatz kann dieser Verifizierungsschritt jedoch optional sein. Die synthetischen Konstrukte werden dann in einer Vielzahl von funktionellen Assays analysiert. Je nach den Erkenntnissen aus den Assay-Ergebnissen können die Konstrukte dann geändert oder verfeinert werden. Dieser Design-, Aufbau-, Test- und Lernzyklus wird so lange wiederholt, bis ein DNA-Konstrukt erhalten wird, das die gewünschte Funktion erfüllt.
Der Design-, Bau-, Test- und Lernansatz (DBTL) für einen molekularen Klonierungs-Workflow mit hohem Durchsatz
Der Design-Build-Test-Learn (DBTL)-Ansatz, der bei der Stammentwicklung verwendet wird, bietet ein nahezu unbegrenztes Potenzial für die Entwicklung großer, vielfältiger Bibliotheken biologischer Stämme. Dies erfordert häufig robuste und wiederholbare molekulare Klonierungs-Workflows mit hohem Durchsatz, um die Produktivität von Zielmolekülen wie Nukleotid-Transkripten, Proteinen und Metaboliten zu erhöhen. Erfolgreiche synthetische Biologie stützt sich oft auf die Kraft der Mikroben. Herkömmliche Screening-Methoden von transformierten Bakterienkolonien mit sterilen Pipettenspitzen, Zahnstochern oder Impfösen sind sehr fehleranfällig, arbeitsintensiv und zeitaufwändig, was zu Engpässen in Ihren molekularen Klonierungs-Workflows führt.
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- Plattierung: Die Plattierung ist der erste Schritt in der Forschung der synthetischen Biologie, wobei mikrobielle Zellen oder genetische Konstrukte auf festen Agarplatten verteilt werden, um Einzelkolonien zu bilden. Zur Optimierung dieses Prozesses können automatisierte Systeme, wie robotische Kolonie-Plattierer, eingesetzt werden. Diese Systeme verwenden Array-Techniken mit hoher Dichte, die das gleichzeitige Plattieren zahlreicher Proben auf präzise und effiziente Weise ermöglichen. Diese Automatisierung spart Zeit und verringert das Potenzial für menschliche Fehler, so dass Forscher in kürzerer Zeit eine größere Anzahl an Proben plattieren können.
- Screening: Nach dem Plattieren werden im nächsten Schritt die Kolonien gescreent, um Kolonien von Interesse zu identifizieren. Herkömmlicherweise wurde dies manuell durchgeführt, wobei die Forscher die Kolonien visuell inspizierten und anhand bestimmter Merkmale auswählten. Um den Durchsatz zu erhöhen, werden jedoch zunehmend automatische Kolonie-Screening-Systeme eingesetzt. Diese Systeme nutzen Bildanalyse und Algorithmen des maschinellen Lernens, um Kolonien anhand von vordefinierten Kriterien schnell zu identifizieren und zu kategorisieren. Durch die Automatisierung dieses Prozesses kann eine große Anzahl von Kolonien schnell untersucht werden, was Zeit spart und die Subjektivität verringert.
- Picken: Sobald die Kolonien von Interesse identifiziert sind, beginnt der Picking-Prozess. Herkömmlicherweise wurde dieser Schritt mit manuellen Techniken durchgeführt, wie der Verwendung von sterilen Pipettenspitzen, Zahnstochern oder Impfösen. Durch den Einsatz automatischer Kolonie-Picker wird jedoch der Durchsatz erhöht. Diese fortschrittlichen Systeme nutzen Roboterarme mit feinen Spitzen oder Nadeln, um ausgewählte Kolonien präzise und schnell in verschiedene Downstream-Anwendungen zu transferieren. Automatisierte Kolonie-Picker können eine hohe Anzahl von Proben pro Stunde verarbeiten, was den Durchsatz deutlich erhöht und arbeitsintensive Aufgaben reduziert.
- Einige der Vorteile des automatisierten Kolonie-Pickens für die synthetische Biologie:
- Ermöglicht einen höheren Durchsatz und verringert gleichzeitig die manuelle Arbeit.
- Bietet einheitliches, objektives Picken von Kolonien, anstatt subjektives Picken per Hand.
- Eignet sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen.
- Elektronische Datennachverfolgung ermöglicht eine gut dokumentierte Kontrolle der Daten.
- Replikation: Die Replikation ausgewählter Kolonien ist ein entscheidender Schritt in der Forschung der synthetischen Biologie und ermöglicht die Erhaltung und Verteilung von genetischem Material für weitere Analysen und Experimente. Bei der manuellen Replikation werden Kolonien auf mehrere Platten ausgestrichen, was zeitintensiv und anfällig für menschliche Fehler sein kann. Nutzen Sie automatisierte Systeme zur Replikation von Kolonien, um diesen Prozess zu optimieren. Diese Systeme nutzen Robotik und Array-Techniken mit hoher Dichte, um Kolonien gleichzeitig auf mehreren Platten zu replizieren und so Konsistenz und Effizienz zu gewährleisten.
- Neuanordnung: Bei der Neuanordnung (re-arraying) werden die Kolonien von ihren ursprünglichen Platten in neue Formate oder Behälter für die langfristige Lagerung oder für weitere Experimente transferiert. Dieser Schritt ist entscheidend für die Erhaltung großer Sammlungen genetischer Ressourcen und die Erleichterung von Arbeitsabläufen mit hohem Durchsatz. Automatisierte Systeme zur Neuanordnung von Kolonien, wie robotische Kolonie-Picker mit Barcode-Readern und Liquid-Handling-Funktionen, können Kolonien präzise und effizient in verschiedene Formate, wie Mikroplatten oder Aufbewahrungsröhrchen, transferieren. Durch die Automatisierung der Neuanordnung können Forscher standardisierte und fehlerfreie Transferprozesse erreichen, die eine bessere Organisation und Zugänglichkeit der genetischen Ressourcen ermöglichen.
Vorteile der synthetischen Biologie
Beschleunigte Bioproduktion
Die synthetische Biologie ermöglicht die rasche Entwicklung und Produktion wertvoller Moleküle, von Biokraftstoffen und Arzneimitteln bis hin zu Spezialchemikalien. Durch den Einsatz der Gentechnik können Forscher Mikroorganismen so manipulieren, dass sie die gewünschten Verbindungen effizient und in großen Mengen produzieren. Die wichtigsten Vorteile sind:
- Nachhaltigkeit und Umweltauswirkungen
- Medizinische Durchbrüche
- Industrielle Anwendungen
Metabolic engineering – eine Kombination aus computergestützter Modellierung, fortschrittlichen genetischen Werkzeugen und Hochdurchsatz-Screening – beschleunigt die Entwicklung und Optimierung von biologischen Reaktionssequenzen. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht es Forschern, Mikroorganismen mit erhöhter Produktivität zu entwickeln und so den Weg für einen Durchbruch in der Bioproduktion zu ebnen.
Anwendungen und Ressourcen der synthetischen Biologie
Die synthetische Biologie ermöglicht das Design und die Konstruktion von maßgeschneiderten biologischen Systemen mit den gewünschten Funktionalitäten.