Automatisierung der synthetischen Biologie: Fünf Tipps zur Verbesserung Ihres molekularen Klonierungsprozesses

Eine der größten weltweiten Sorgen ist unser übermäßiger Ressourcenverbrauch und seine unbestreitbaren Auswirkungen auf die Umwelt. Vor allem bei Herstellungsprozessen sind enorme Energiemengen erforderlich, die aus fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas gewonnen werden. Diese Energiemengen sinken in der Verfügbarkeit und steigen in den Preisen, wodurch sie unhaltbar werden. Durch die Neugestaltung der Funktionen von Mikroorganismen haben Forscher erfolgreich damit begonnen, Lebensmittel, Textilien und biopharmazeutische Produkte zu erzeugen, die während ihres Herstellungsprozesses viel weniger Ressourcen verbrauchen. Wenn Sie schon einmal den bei Burger King verkauften Impossible Burger gegessen haben, haben Sie schon einmal ein technisch optimiertes Lebensmittelprodukt gegessen. Dieser ausgeprägte Fleischgeschmack ist ein Produkt des molekularen Klonens, ein integraler Bestandteil der synthetischen Biologie. Um die richtigen Merkmale (z. B. Geschmack und Textur) zu erzielen, isolieren Hersteller DNA-Fragmente und führen sie in mikrobielle Stämme für die Massenproteinproduktion ein.

Dieser ausgeprägte Fleischgeschmack [zum Beispiel in einem Impossible Burger] ist ein Produkt des molekularen Klonens, ein integraler Bestandteil der synthetischen Biologie.

Heute sehen wir die Vorteile synthetischer Biologiemethoden, die in verschiedenen Branchen an Dynamik gewinnen. Aufgrund der erhöhten Nachfrage nach synthetischen Produkten, die aus der überarbeiteten Biologie gewonnen werden, sind schnelle und präzise Methoden für das High-Throughput-Engineering von Mikrobenstämmen und das molekulare Klonen erforderlich geworden. Leider sind manuelle Arbeitsabläufe in der synthetischen Biologie immer noch arbeitsintensiv, zeitaufwendig und anfällig für menschliches Versagen.

Dieser Artikel fasst die häufigen Engpässe in Arbeitsabläufen der synthetischen Biologie zusammen und wie die Automatisierung diese Herausforderungen meistern kann, um den Durchsatz zu erhöhen und Zeit zu sparen.

1. Vom manuellen Picken bis hin zum automatisierten Picken mit einem Kolonie-Picker mit hohem Durchsatz

Nachdem die Gene von Interesse amplifiziert, in Vektoren zusammengesetzt und in Mikroben umgewandelt wurden, müssen Sie Kolonien auf mehrere Merkmale von der Größe bis zur Fluoreszenzintensität screenen. Dies kann manuell mit Pipettenspitzen, Zahnstochern oder Impfösen zu ungleichmäßigen Ausstrichen führen, insbesondere wenn ein hoher Durchsatz das Ziel ist. Dies behindert die weitere Analyse Ihrer Kolonien.

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Ein automatisierter Kolonie-Picker könnte Sie vor den Problemen des manuellen Pickens schützen. Der QPix Microbial Colony Picker ist zum Beispiel ein nützliches Werkzeug zum schnellen Picken und Inokulieren von Kolonien in Deep-Well-Blöcke mit Wachstumsmedien. Wenn es Ihr erster Versuch ist, das Kolonie-Picken zu automatisieren, können Sie sich für einen Einsteiger-Kolonie-Picker entscheiden, wie z. B. das QPix-420System, das eine schnelle Einrichtung für das automatische Picken von bis zu 12. 96 Well-Platten ermöglicht. Dies bedeutet bis zu gescreente 3000Kolonien pro Stunde. Da nur ein minimaler Eingriff erforderlich ist, reduzieren Sie das Risiko menschlicher Fehler und Kreuzkontaminationen und geben Ihrem Team gleichzeitig mehr Zeit für Multitasking.

Durchsatz- und Arbeitsverteilungsdiagramm

2. Integration von Laborgeräten für einen vollautomatischen molekularen Klonierungs-Arbeitsablauf

Während das manuelle Pipettieren bei der Flüssigkeitsübertragung in kleinen Anwendungen praktikabel sein kann, ist es für die Verarbeitung von Hunderten von Proben unpraktisch. Stattdessen können Sie automatisiertes Pipettieren in Ihren molekularen Klonierungs-Arbeitsablauf für die DNA-Vorbereitung integrieren und dann mithilfe von Thermocyclern vor Ort eine Hitzeschock-Transformation von Mikroben mit DNA-Plasmiden durchführen.

Die Integration von Roboterarmen ist die gebräuchlichste Methode zur automatisierten Integration mehrerer Instrumente, die die Standard-Mikrotiterplattenformate wie Standard- und Deep-Well-SBS-Fußabdruckplatten akzeptieren, ohne einen Muskel zu bewegen. Noch wichtiger ist, dass die Roboterautomatisierung so angepasst werden kann, dass Kolonien mit günstigen Eigenschaften gescreent und gepickt werden, was die Isolierung von Trefferkolonien beschleunigt, die mit unseren Multi-Assay-Plattenreadern validiert werden kann.

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Bevor Sie einen Roboterarm in Ihr experimentelles Design integrieren, müssen Sie sicherstellen, dass er ISO-15066konform ist.

3. Reduzierung der Kreuzkontamination

Kreuzkontaminationen stellen einen erheblichen Risikofaktor dar, der bei mehreren Gelegenheiten auftreten kann, z. B. bei einer unsterilen Schleife, beim Herunterfallen des Deckels oder wenn die Platte zu lange gelöst wird. Dies kann Ihre Ergebnisse ungültig machen und ihre Reproduzierbarkeit negativ beeinflussen, was bedeutet, dass Sie sie nicht mit Ergebnissen anderer Forschungslabore oder früheren Klonierungsdurchläufen vergleichen können.

Um Kreuzkontaminationen während molekularer Klonierungsprozesse zu vermeiden, sind sorgfältige Hygienepraktiken erforderlich. Sie können den Regelkreis entflammen oder Einweg-Regelkreise verwenden, aber keines von ihnen ist eine praktische Lösung für das Ausstreichen mit hohem Durchsatz.

Die Sterilisation ist ein weiterer Aspekt des molekularen Klonens, der von der Automatisierung profitieren kann. Mit automatisierten Kolonie-Pickern finden Sie integrierte Sterilisationswerkzeuge, die nur minimale menschliche Eingriffe erfordern. Zum Beispiel enthält der QPix Microbial Colony Picker Waschbäder und Halogenhitzesterilisation, um Kreuzkontaminationen zwischen Nadeln zu vermeiden.

Aufbau eines QPix-Systems NULL

4. Vielseitigkeit für das Kolonie-Screening

Eine weitere Herausforderung bei Arbeitsabläufen im Kolonie-Picken ist das effiziente Screening auf die leistungsstärksten Kolonien. Der Anwender wählt in der Regel seine besten Kolonien basierend auf benutzerdefinierten Parametern und Erfahrungen im manuellen Picken aus, was oft sehr subjektiv ist. Das Problem tritt auf, wenn eine große Anzahl von Kolonien gescreent werden muss. Auch wenn die Probenvorbereitung und -plattierung automatisiert ist, muss der Kolonie-Picker immer noch lernen, auf welche Eigenschaften in einer Kolonie vor der Kolonieauswahl zu achten ist.

Automatisierte Kolonie-Picker wie das QPix-420System sind von Vorteil, da die Software darauf ausgelegt ist, Kolonien basierend auf Parametern wie Form, Größe, Nähe und Fluoreszenzintensität schnell zu gaten. Darüber hinaus können Sie die Kolonien in verschiedenen Selektionsmodalitäten screenen, einschließlich Fluoreszenzintensität, Blau/Weiß-Screening und Hemmzonen.

Das QPix 420 System bietet die Vielseitigkeit, die für eine präzise Kolonieauswahl erforderlich ist. Sie können zum Beispiel die Einstellungen so anpassen, dass die Hohlheit korrigiert wird, um Kolonien aufzunehmen, die in der Mitte hohl erscheinen, obwohl sie die gewünschten Expressionsniveaus und Eigenschaften aufweisen.

Automatischer Koloniepicker

Das QPix-420System ist in der Lage, vier verschiedene Fluoreszenzkanäle abzubilden, wodurch Sie möglicherweise vier verschiedene fluoreszent markierte Proteinexpressionen im selben Organismus überwachen können.

Der Vorteil des automatisierten Kolonie-Pickens liegt in der Fähigkeit, Ihre Masterplatte zu replizieren. Sie können Ihre Klone auf neu erzeugten Unterplatten analysieren, während Sie die Masterplatte für das weitere Picken der Kolonien zurückhalten.

5. Datenmanagement in Arbeitsabläufen der synthetischen Biologie

Die manuelle Datenerfassung kann in Arbeitsabläufen der synthetischen Biologie umständlich sein, insbesondere wenn Daten über mehrere Instrumente hinweg gesammelt werden. Dies führt zu zusätzlichen FTE-Stunden, Ermüdung und einem höheren Risiko für Datenverlust.

Das QPix-420System kann bei der Datenerfassung und -speicherung helfen. Der Stellantriebskopf enthält eine integrierte hochauflösende Kamera und einen Barcode-Leser für eine zuverlässige Datenrückverfolgbarkeit. Bilddaten werden mit einem umfangreichen Audit-Trail und Probenverfolgungsoptionen in die integrierte Datenbank aufgenommen. Basierend auf dem Barcode-Lesen kann die QPix Software verwendet werden, um Informationen über eine Kolonie zu verfolgen, z. B. deren Position in den Quell- und Zielplatten sowie das Datum und die Uhrzeit der Aufnahme. Sie haben auch die Möglichkeit, Tags für wichtige Proben anzupassen und Ihre Kolonien basierend auf ihren morphologischen Eigenschaften zu gruppieren.
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Qpix Library-Verwaltung

Die von unserem automatisierten Kolonie-Picker gesammelten Daten sowie die Daten, die von mehreren Instrumenten auf einer synthetischen biologischen Arbeitszelle gesammelt wurden, können leicht in weithin akzeptierte Formate in Ihr bevorzugtes Laborinformationsmanagementsystem exportiert werden.

Erfahren Sie mehr über automatisierte synthetische Biologieprozesse

Die Automatisierung der synthetischen Biologie, insbesondere des molekularen Klonens, spart Ihnen nicht nur enorm viel Zeit und Kosten, sondern erhöht auch die Genauigkeit Ihrer Ergebnisse. Wenn Sie mehr über die Grundlagen automatisierter Arbeitsabläufe in der synthetischen Biologie erfahren möchten, können Sie sich für unser aktuelles Webinar von Dwayne E. Carter, PHD, BioPharma Field Application Scientist, registrieren. In diesem Webinar finden Sie Abbildungen und Diagramme zu jedem Schritt, der in die Automatisierung involviert ist, mit konkreten Beispielen.

Automatisierte synthetische Biologieprozesse
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