未來已來，科幻大片中機器人占領地球？也許不是沒可能！

2019在北京舉行的世界機器人大會讓大家一飽眼福，體會到目前基于機器的自動化產業已應用于衣食住行的各個方面，甚至在生物學和生物醫藥領域中，自動化與高通量的實驗方式也正在成為工業級研究的新趨勢。

 

2019世界機器人大會展覽[1]

 

為什么需要自動化高通量？

 

•提到自動化（Automation），大家首先想到的是機器代替部分人工工作，通過系統控制和完成操作過程：  

生物實驗結果往往有不確定性，有些實驗難以重復，自動化可以解決源于生物研究者造成的人工誤差和錯誤等，節省工作時間，提升實驗效率，有效避免樣品的污染，提高實驗可重復性；與自動化儀器結合的計算機系統可以進行大量數據的詳細記錄和存儲，讓實驗問題有跡可循。

 

•其實自動化不僅僅是代替人工，更要超越人工：  

原本1次/人檢測一個樣品，通過自動化高通量（High-throughput）設備可以一次同時檢測幾十甚至幾百個樣品，同時讀取大量數據，實現高通量快速檢測和篩選的實驗目的。

 

•另外，自動化應用還可以向微型化高靈敏的方向發展，更小的反應體系僅需少量樣本即可進行實驗，減少實驗樣品的消耗。 

 

在分子生物學中的應用

 

過去幾年，基因編輯技術的廣泛應用已將其產業化升級的需求提到了至關重要的高度。先跟我一起回顧下基因編輯大小鼠的構建流程吧：

 

基因編輯動物構建流程[2]

 

當然有個完美周到的設計方案是工作開始的前提，那么之后：目的基因測序—sgRNA活性篩選—目的基因合成—載體構建和RNA制備—質粒提取—顯微注射—陽性小鼠出生—PCR鑒定、southern blot鑒定；自動化儀器設備的發展使分子生物學部分中樣本的處理、提取和檢測等各個環節逐步由人工勞動力向自動化高通量轉變，大大提高技術精度和工作效率。

來，讓我們舉個栗子

 

1）液體處理

曾記學生時代在手持移液器時進行批量操作時，手已累殘槍頭沒裝緊移液只有一半，剛加過的孔瞬間忘記加到了哪里，這個孔我剛加過了嗎？

工業生產，為客戶提供服務，這種狀況可不允許發生。在分子生物學工作站引入Beckman自動化移液系統，可以精準的完成96孔板的位置定位，高精度的加樣，靈活的八通道頭可以獨立控制[3]，具有很大限度的靈活性，也避免了人員操作可能帶來的樣品污染。能夠完成移液、梯度稀釋、分液及合并液體等液體處理工作。在基因編輯小鼠制備的質粒提取、基因組DNA純化和PCR體系設置階段均可以應用。

 

百奧賽圖基因編輯平臺自動移液工作站

 

2）樣品合成

  從1970年首例人工基因合成到現在，DNA合成在當代已經不是什么難事了，而合成的快、準、很~~~多才是發展趨勢，化學法合成的通量比較低，合成長度也有限，微陣列介導的DNA高通量合成技術逐漸興起， Twist Bioscience獨特的基于半導體硅芯片的DNA合成技術能夠高通量、低成本的合成DNA，產量較普通PCR合成更高，且無需再次擴增，合成長度可達1.8kb，合成量100-1000μg[4]。這一高通量技術的應用可大大提升DNA合成的通量和效率。

 

硅芯片DNA合成平臺與傳統96孔板DNA合成對比[4]

 

3）樣品處理

常規質粒提取和純化為堿裂解法，但面臨菌液多，裂解不充分，質粒提取量較低的問題[5] 。全自動核酸提取儀以經典的磁珠分離技術完成核酸自動化提取，快速完成磁珠和廢液的分離，省去必需的離心和過濾的操作，可高通量處理樣品，提高核酸提取的一致性。全自動核酸提取儀發展趨勢是與PCR反應相結合，從提取分離純化到擴增直接完成。

4）樣品檢測和篩選

作為基因編輯小鼠每年>1500個課題生產量的服務公司，鼠尾PCR 鑒定的數量可以說是相當龐大的，繞地球幾圈當然我還沒算過，不過我知道自動化PCR擴增儀可少不了，這個恐怕也是大家接觸zui多也應用zui多的自動化設備了。

PCR反應過程需要變換至少三個溫度，高溫變性，低溫退火，中溫延伸。三個溫度的變化速度平穩，耗時少，通量高越來越成為自動化發展的方向。第一代PCR擴增儀使用機械手臂將樣品在三個恒定溫度水浴箱中切換，不需升降溫，時間短，但是樣品移動過程在空氣中易被污染，水溫溫度不易保持穩定。第二代自動化控制定性PCR擴增儀利用變溫金屬塊作為恒溫裝置，通過半導體加熱或者冷卻，溫度變換平穩，酶活性高，耗時較長[6]。第三代實時定量PCR儀加入熒光物質，可檢測PCR進程信號變化，快速定量完成PCR擴增[7]。

 

百奧賽圖自動化PCR擴增儀工作站

 

生物領域研究過程可以用到的自動化和高通量設備數不勝數，這里就不一一介紹了，定制化整合集成的自動化設備是將來的發展趨勢，不要驚訝于科幻大片的場景，可能某一天實驗室里、生產車間里看到瓶瓶罐罐井然有序的自己工作著 已然是常態了。

 

參考資料：

[1]https://www.worldrobotconference.com/html/bolanhui/canzhanshang/bolanhuixinwen/2019/0822/866.html

[2]Shao, Y., Guan, Y., Wang, L., Qiu, Z., Liu, M., Chen, Y., … Li, D. (2014). CRISPR/Cas-mediated genome editing in the rat via direct injection of one-cell embryos. Nature Protocols, 9(10), 2493–2512.

[3]http : // www. beckmancoulter . cn / ls-discovery / automation / liquid - handlers / biomek - 4000 . html

[4]https://www.twistbioscience.com

[5]Tan, S. C., & Yiap, B. C. (2009). DNA, RNA, and Protein Extraction: The Past and The Present. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2009, 1–10.

[6]http://www.gbw114.com/news/n4650.html

[7]VanGuilder, H. D., Vrana, K. E., & Freeman, W. M. (2008). Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. BioTechniques, 44(5), 619–626.
 

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