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2016 年 09 月 27 日

Opentrons 客户访谈 | 在 Glowee 制作生物发光标志

本次客户访谈将为大家带来,由 Opentrons 联合创始人 Will Canine 在巴黎与 Glowee 的首席科学官 Samuel Juillot 的精彩对话。Glowee 是一家法国初创公司,他们在实验室使用 OT-1 PRO 制造生物发光标志。

(为了给您提供简洁易懂的阅读体验,本次采访已经过编辑优化。).

用生物发光点亮城市

Will: 好的,我看过你们的网站,请你分享一下,你的团队研究项目是?

Samuel: 我们正在研究一种为未来城市提供照明的新方法。我们的目标是找到一种不依赖电力产生光的方法。当我们观察自然界时,我们发现了一个理想的解决方案,那就是生物发光现象。在自然界中,有一些生物可以发出无需电力支持的光。我们深受启发,并希望将这一自然现象应用于城市照明中。

Samuel: Sandra Rey 是该项目的创始人。她从自然界中观察到了生物发光现象,并思考着如何利用这一特性。于是,项目就这样开始了。虽然她是一名设计师,但并非生物学家,因此需要找到合适的人选来实现产品的研发。公司成立于 2014 年 12 月,至今不到两年的时间。我们的目标是开发一款不依赖电力、不需要基础设施的照明产品。用户只需将其放在玻璃表面上,就像贴上一张贴纸一样简单。

Will: 太棒了!听起来就像“即撕即玩”一样。

Samuel: 是的。

Will: 酷!它正在逐渐取代传统的霓虹灯广告牌。

Samuel: 是的。

Will: 的确目前城市里霓虹灯广告牌太多了,而且它们也非常耗电。这太棒了。我什么时候可以购买Glowee?

Samuel: 哈哈, 目前还不行。

An early Glowee prototype

公司的起步阶段

Will: 你在公司成立不久后就加入了,对吧?在你获得博士学位之后?

Samuel: 是的。

Will: 那么你最初的目标是什么?你最初想要构建的是什么?你希望达到的里程碑是什么?

Samuel: 当然,首先我们想让稳定发光持续时间超过10小时。

Will: 太酷了,那是个不错的目标。持续稳定发光10小时。

Samuel: 而且不是在液体状态下。因为制作液体培养物很容易。

Will: 在振荡的生物反应器里?

Samuel: 没错,振荡、冒泡的生物反应器需要电力。而我们正在制造不使用电力的光。

Will: 所以这意味着让细菌在琼脂上生长吗?

Samuel: 差不多是这样。

Will: 差不多?

Samuel: 凝胶化溶液。

Will: 原来如此,太酷了!

Samuel: 我们的首席执行官是一位设计师,所以她不希望有任何恶心或难看的颜色。也不希望有任何难闻的气味。

Will: 这点很重要!

Samuel: 所以我们也致力于制造出最好的产品。现在我们在凝胶化介质中的发光时间已经达到了72小时。

Will: 然后他们每72小时就要更换一次你们的广告牌吗?

Samuel: 目前是的,但这么做不是很方便。所以我们的目标是到年底让发光时间达到一周。

Will: 太好了。

Samuel: 你可能会想:“好吧,但与LED系统相比,你们的产品使用寿命达不到那么长。”我认为,如果你每天使用24小时,LED的使用寿命大约是三年。我们做过生命周期分析,实际上就二氧化碳消耗而言,如果你把所有的因素都考虑进去——LED的生产、电力生产等等——我们的发光系统使用寿命一周,从长远来看更可持续。刚开始,我们每单位生命周期排放的二氧化碳比LED少3倍,如果发光时间是一个月,那么二氧化碳排放量将少10倍。这就非常可观了。

Will: 非常同意。

Samuel: 当然,目前它只适用于店面,只适用于特定的市场。

Will: 目前是这样!

Samuel: 没错,目前是这样。

合成生物学照明

Will: 那么,你们最初使用的是哪些基因来进行生物发光?

Samuel: 我们最初使用的是来自费氏弧菌的 lux 操纵子。这是众所周知的,实际上也是 2010 年剑桥的一个iGEM 项目中使用的。这是 iGEM 项目中的第一个部分,他们目前已经开始围绕这个系统制造更好的发光装置。

Will: 有没有办法让它白天停止发光,晚上再发光?我相信你们已经考虑过所有这些调节方式。

Samuel: 是的,当然。这也是生物启发的结果,观察自然界中受光照调节的植物。基本上,生物钟是一个重要的概念,我们的目标是利用这些受白天和黑夜调节的启动子。目前我们还在研究细菌,如大肠杆菌等,并且我们可以通过光来控制它们的活动,这很不错。实际上,我在做博士研究时做的就是光遗传学。

Will: 通过光来开启和关闭事物?

Samuel: 没错。

Will: 那通常用于神经生物学,对吧?

Samuel: 没错,它始于神经生物学,但我们现在可以用光来控制一切。

Will: 好的,所以它是用光来开启和关闭基因回路吗?

Samuel: 实际上,首先是蛋白质-蛋白质的相互作用。你可以激活反应或终止反应。所以基本上基因表达很简单,你改变构象并与DNA结合。但你也可以想象这样一个系统,当你打开光时,其中两种蛋白质就会简单地相互作用。

Will: 你可以用光来启动和停止生物发光过程。

Samuel: 是的。

Will: 太酷了,这太神奇了。有朝一日,你可能看到你的发光物体通过光来开启或关闭另一个物体。

Samuel: 这现在很棘手。因为我们也发出光,所以……

Will: ……事情变得复杂了。

Samuel: 哈哈,没错。

实验室工作

Will: 那么,请告诉我你的实验室工作。你们通常都做什么?大量的细菌培养吗?

Samuel: 是的,但现在我们暂停了一下,目前正在与一个公司合作——这用英语怎么说?当你要求另一家公司为你生产东西时。

Will: 像CRO?还是只是一个承包商?

Samuel: 对。所以他们负责生产细菌,因为我们已经做了四次大型活动,需要生产几百升的生物发光细菌。第一次是在去年的巴黎 COP21 上。这是为联合国做的关于生态变化的项目。两周后我们还有另一项大型活动要做。基本上每次我们都会生产越来越多的细菌,最多可达100升,而我们自己无法生产这么多升。这会让整个团队集中精力好几个星期,但我们仍处于研究阶段,必须保持专注。

Will: 好的,那么是什么驱动着你的研究?

Samuel: 我们做了很多微生物学研究。为此我们做了很多克隆工作,实际上为了优化荧光素酶的量子产率,我们启动了一个大规模的突变项目,即随机突变,因为它既简单又高效。我们有一个菌落选择器来筛选大量突变体。

Will: 你是直接拍个照片,选最亮的然后挑出来吗?

Samuel: 目前,我们会筛选所有的菌落,然后使用一个 96 孔板读取器来检测菌落的光强度。所以这就是为什么我们最初对拥有一台 Opentrons 机器人感兴趣。基本上,我们的目标是使我们的流程中的一部分标准化,并让一部分工作自动化,这样你就可以准备很多含有培养基的平板。这样,我们就不需要每天手动使用多通道移液器了,让机器人来做。虽然很简单,但是每天都要在每个孔中加入培养基——我们每天做 9 或 10 个平板——这是一项繁重的工作。

Will: 真棒!就是让 Opentrons 机器人往平板里加培养基吗?

Samuel: 对。

Will: 太好了,这类工作不应该手工去做。

Samuel: 没错。然后我们使用 QPix 来挑选菌落并将其放入平板的孔中。之后,我们在平板中培养刚刚挑选的细菌,几个小时后测量生物发光。我们有一个系统可以直接用孔板读取器测量哪个更亮。之后,我们取出来,放在另一个孔板上,然后用 Opentrons 机器人进行稀释。

Will: 太酷了,我们喜欢做稀释。

Samuel: 嗯,这有点像精准采摘,把孔板一个接一个地转过去并稀释。我们把第一次筛选的阳性菌落放在第一行,并进行稀释以进行复现。这是为了确认它不是孔板读取器的误读,而是一个真正的阳性。这是我们真正有兴趣使用 Opentrons 机器人的第一部分。

Will: 这太棒了。所以,回顾一下,Opentrons机器人是你自动化突变流程的一部分吗?

Samuel: 是的。

Will: 太酷了!请介绍下您的目标是什么?

增加量子产率

Samuel: 当我们谈论生物发光和强度时,我们确实可以将其与电脑屏幕进行类比。发光强度,它并不是以流明为单位,而是以发光单位来衡量。简单来说,这就是强度,但它代表的是每平方米的亮度。

Will: 好的,面积强度。

Samuel: 对。

Will: 这是你的重要指标吗?

Samuel: 是的。现在我们想增加每个细菌发出的光。这意味着改变量子产率,也就是每个反应发出的光子数。众所周知,这些荧光素酶在细菌中的量子产率非常差。

Will: 你刚才说量子产率?

Samuel: 对。

Will: 好的,太酷了。嗯,哇?

Samuel: 哈哈——所以这就是每个反应产生的光子数。

Will: 明白了,所以这些荧光素酶产生光子的效率较低,也就是发出光的效率较低。

Samuel: 对。如果你看一下 Promega 产品,例如。

Will: 你是说供应商吗?

Samuel: 是的。他们出售了很多种荧光素酶。即使他们常规的产品,亮度也比我们现在使用的要高出约80倍。问题是,我们无法在微生物中生产 Promega 荧光素酶的底物,因为我们不知道其生物合成途径。

Will: 嗯,他们是怎么做的?

Samuel: 他们通过化学方法制造这些荧光素酶,因为这些酶是用于体外检测的,所以目的与我们在细菌中使用它们的目的不同。这意味着,我们必须针对我们在细菌中拥有的东西进行优化,但目前的量子产率并不高效。因此,我们需要从根本上改变这一点。如果你观察大自然,你会发现一些高效的突变体。通过观察这些突变体的结构,我们可以分析哪些氨基酸发生了变化,从而使它们更亮。在其他菌株中,其他变体可能会改变它们的波长并变得更亮。

Different luciferaces found in nature

色彩方面

Samuel: 当你深入观察大自然时,你会发现 YFP 有时会与 lux 操纵子融合。这种融合使得黄色荧光蛋白能够吸收生物发光的光,并发出黄色的光。通过这种方式,我们稍微改变了光的发射波长,从而产生了一种放大的效果。因此,我们得到的是一个更亮的系统。这种技术被称为 BRET,即生物发光共振能量转移。它与 FRET 有些相似,但区别在于我们不是在荧光之间进行能量转移,而是在生物发光与荧光之间进行。

Will: 好的,真有趣。

Samuel: 另外,如果你观察深海中的一些小型微生物,你会发现它们在某些菌丝上具有彩虹色。也许我可以给你看一张照片。实际上,它们拥有所有类型的颜色,真是令人难以置信。

Rainbow bioluminescence

Will: 哇!这真是令人震惊!

Samuel: 这就是生物发光。实际上,它是与荧光融合在一起的。生物发光有一种发射光颜色,之后荧光会改变波长。

Will: 太神奇了。所以你们正在研究这种东西?

Samuel: 没错。所以我们的想法是获得所有六种颜色。

Will: 它看起来真的就像霓虹灯一样,确实如此。那会很酷。

Samuel: 目前我们实际上是在白天制造颜色,这样你就可以用你的贴纸做广告了。例如,你可以在贴纸上用红色写出完全个性化的东西。而在晚上,你看不到红色,但你可以看到生物发光的蓝绿色光芒。

Will: 太酷了!

Samuel: 所以现在白天它可以是蓝色、黄色,我们可以得到一些绿色、红色,我们还有白色。所以白天你能看到一些东西,之后晚上你有生物发光。为什么我们想拥有这种属性、这种特性呢?因为我们的第一个原型是用于店面。

Will: 我们什么时候能看到呢?

Samuel: 明年年初。

Opentrons 非常荣幸能够与 Glowee 这样的生物技术公司合作,共同致力于利用科技中的生物学力量来改善我们星球的健康和幸福。我们很高兴与大家分享 Opentrons 机器人如何在世界各地发挥作用。

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