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2020 年 01 月 07 日

帝国理工学院使用 OT-2 构建自动化DNA组装平台

如何利用BASIC和Opentrons OT-2构建了一个用于合成生物学的准确、高性价比、自动化的DNA组装平台。

为了更深入、更快速地探索生物学,科学家们需要简单有效的方法来构建 DNA 结构。

“为了更有效地开发新的生物系统,我们正在尝试将工程方法应用于生物学。”帝国理工学院合成生物学中心的联合主任 Geoff Baldwin 说:“从过往的经验来看,制造新的 DNA 结构是个漫长的过程,通常需要两到三个月的时间——而且中途有可能失败。” 于是 Baldwin 和他的同事 Marko Storch 以及伦敦生物铸造厂自动化主管博士后研究员 Matt Haines 一起开发一款可以更轻松、更快速构建DNA的工具。

(从左到右)Matt Haines和Geoff Baldwin在他们的实验室里,与OT-2液体处理实验室机器人在一起。图片来源:帝国理工学院

我们已经做出了一些工具上的改进。“今天,我们有更好的工具,”Baldwin说,“就像你建造宜家家具的方式一样,你可以用标准零件建造一个生物系统,这是一种更有效的方式。”

“就像你建造宜家家具的方式一样,你可以用标准零件建造一个生物系统,这是一种更有效的方式。”

进入基础知识
在开启自动化项目之前,Storch、Baldwin 和其他同事开发了 BASIC,主要用于幂等克隆的生物部件组装标准化。在某种程度上,BASIC 促使研究人员以新的方式思考构建 DNA 结构。“它提供了出色的可操作性,”Baldwin说:“一旦你接受了标准化方法,就会有大程度的思考自由,你不再需要考虑单个序列、重叠、PCR 等的细节。”

在某种程度上,BASIC 促使研究人员以新的方式思考构建DNA构建体。“它提供了极好的可操作性,”Baldwin说。“一旦你接受了标准化的方法,就会有更大的自考自由度——你不再需要考虑单个序列、重叠、PCR等的细节。”

因此,通过 BASIC,科学家们将注意力从如何构建 DNA 转移到了思考系统的行为上。此外,BASIC 产生的DNA 构建非常准确。“你有信心,合成的 DNA就是你想要的,”Baldwin说道。

通过 BASIC,科学家们将注意力从如何构建 DNA 转移到了思考系统的行为上,同时生成非常准确的DNA构建。

除了提高准确性外,BASIC 还简化了构建 DNA 的过程。“它提供了更简单的方法来实现 DNA 构建,”Storch说。“你得到的是开箱即用的零件和连接器,而且不需要进行故障排除。”然后,科学家只需要知道如何将部分-连接器-部分-连接器等进行组合来构建一个结构。

Baldwin 将其与计算机的进化进行比较。几十年前,构建计算机的人需要了解晶体管和逻辑门。“如今,您不必担心计算的物理原理,因为您可以直接从盒子里拿出组件,”他说。“同样,BASIC 让用户能够享受与DNA 类似的抽象层次。”

不过,想要充分利用 BASIC,还需要实验室自动化。

添加 Opentrons
“当 Opentrons 推出OT-2时,Opentrons的开源理念确实与我们对基于链接器的 DNA 组装项目的看法不谋而合,”Storch 说:“磁性模块和温控模块提供了我们需要的功能。”

因此,开源 BASIC 技术(可在 GitHub 上免费获得)非常适合在开源的自动化移液机器人OT-2上使用。“我们相信实验的价值应该体现在你建造的东西上,而不是你建造它的方式上”Baldwin说。这催生了能够运行 BASIC 的 OT-2——DNA-BOT。

(从左至右)Matt Haines和Geoff Baldwin正在思考他们的DNA-Bot。图片来源:帝国理工学院

当被问及运行 DNA-BOT 的优势时,Haines 说,“首先是性价比。” 然后,他还强调了该方法的效率和准确性。“我们在每个案例中都获得了 88 个组件的构造,再高效的同时实现了高精度,”他说:“这是非标准化的方式难以实现的。”

在帝国理工学院合成生物学中心,Baldwin 和他的同事建立了一个由六个 DNA-BOT 组成的实验室。“我们正在尝试看看硕士生是否可以使用这个平台构建结构,”Storch 说。

研究生正在设置帝国理工学院生物铸造厂。图片来源:伦敦帝国学院

无论这些学生的试验结果如何,Baldwin 的团队已经知道 DNA-BOT 改变了游戏规则。“我们可以探索的设计空间是数百个,甚至数千个DNA结构,”Baldwin 说,“而且它可以迅速增加到数万个。”

正如 Haines 所强调的,“还有很多可探索的变异性。”

增强应用
Baldwin 的团队看到了更多的工作要做。他们已经看到 DNA-BOT 在各种应用中发挥作用,包括研究现有的生物合成途径和创建新的途径来构建难以制造的化合物。

该团队将继续开发和调整 DNA-BOT,并计划整合 Opentrons Thermocycler。 “我们想建立一个生态系统,”Baldwin 说。“创建一个 DNA 零件和流程,将增强团队成员的能力。”当价格实惠、易于使用和高效的自动化与先进的合成生物学工具箱相结合时,构建 DNA 结构的整个行业将发生变化,几乎任何人都可以探索它。

参考资料:

  1. Storch, M., Haines, M.C., Baldwin, G.S. 2019. DNA-BOT: 合成生物学中低成本、自动化的DNA组装平台。bioRxiv. doi: http://dx.doi.org/10.1101/832139.
  2. Storch, M., Casini, A., Mackrow, B., et al. 2015. BASIC: 用于合成生物学的同态克隆的新的生物部件组装标准,为合成生物学提供准确、单层DNA组装, ACS Synth. Biol. 4:781–787.

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