萊茵衣藻作為單細胞真核綠藻,具有生長周期短,實驗操作簡便,只具有一個較大的葉綠體,易獲得各種突變體等優點,是國際上用于研究植物細胞分子生物學和光合作用遺傳的理想模式材料。萊茵衣藻的遺傳轉化為獲得大量突變體,并分離導致突變的基因以及研究其功能等提供了很有效的手段。

近日，Kyle Lauersen教授領導的阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)生物與環境科學學院(BESE)合成生物學組(SSB)開展了一項通過基因工程和過程設計，開發資源高效的生物工藝。



在整個實驗研究中，SINGER的高通量菌落篩選工作站ROTOR和高精度菌落挑取工作站PIXL發揮著至關重要的作用。

Kyle教授的實驗室致力于合成生物學在光合生物中的應用，其主要工作對象是一種細胞壁缺陷的綠色真核藻類——萊茵衣藻。綠藻是通過光合作用生長的神奇生物，這意味著它們利用(太陽光)作為能量，并捕獲二氧化碳作為碳源。



通過將植物和真菌等其他生物的途徑引入藻類，可以定制藻類的新陳代謝，從而產生非天然化合物。一旦引入成功，這些途徑就會改變天然代謝途徑，全部從二氧化碳產生感興趣的產物。

盡管自20世紀40年代以來，這種綠藻一直在實驗室里培育，但它有著復雜的基因。自2015年以來，Kyle團隊就已經知道如何利用生物體的天然基因調節機制可靠地表達其核基因組中的轉基因。然而，改造藻類是一個數字游戲，因為DNA隨機地整合到基因組中，導致整個轉化細胞群體的一系列表達，所以需要篩選成百上千個轉化株來尋找符合要求的目標株。

原始的工作流程是用牙簽手工挑取轉化的菌落。可以想象，這是一個非常乏味的過程，當有20種不同的質粒要嘗試時，研究組的每個學生手動挑選成百上千個菌落，可能需要連續多天不停的工作。



高精度菌落挑取工作站PIXL直接將通量提高了8倍以上。除此之外，由機器人點種的標準化菌落陣列在質量和可重復性上都遠遠優于手工操作，機器比人工可以在單位面積上接種更多的菌落，因此可以在相同的面積上得到更多的菌落，這樣能夠減少培養基的使用。手工做的最大限度是每個13×13厘米平板接種144個菌落，而PIXL可以輕松地把384個菌落接種在小矩形板上，1000多個菌落只需一小時就能完成！！

藻類菌落不是通過簡單的冷凍來儲存的，而是把文庫保存在瓊脂板上，每兩周或每個月轉接一次。高通量菌落篩選工作站ROTOR可以快速、無菌、可靠的在瓊脂間轉接和保存菌落。



這項實驗的另一個流程是使用PCR板作為背景，將菌落從一個瓊脂板轉移到另一個瓊脂板，這顯然有其局限性，一方面是有可能人為失誤，另一方面是單次只能轉移96個菌落。而ROTOR消除了轉接過程中所有的人工誤差，同時可以實現更高密度的菌落轉移，也可以用長針快速接種至96/384孔液體平板。標準化還使我們能夠加快分析瓊脂平板上的菌落特征。

Kyle團隊的實驗取得了階段性的成果，也對這兩款儀器的評價很高。Kyle說：“ROTOR和PIXL已經在實驗室里運行了6個月，它們的組合，在通量和重現性方面將引領實驗室自動化操作的變革。”