使用自动化平台Lustro在酵母中进行高通量光遗传学实验
2023年8月4日
本方案概述了利用自动化平台Lustro在酵母中进行光遗传系统高通量表征的步骤。
目前有多种设备可供选择，例如生物反应器和微孔板光照装置。生物反应器具有较高的时间分辨率，但通量有限。微孔板设备通量较高，但缺乏自动化功能，难以长期稳定记录输出结果。
Lustro 可提供对光遗传学系统进行实时、可靠且高通量的表征。它还可与液体处理机器人可执行的检测方法相整合。由于光遗传学系统能够对细胞行为实现精细的空间和时间控制，因此成为一种极具吸引力的工具。
更快地设计、构建和测试光遗传学系统的能力将为深入理解并精确控制生物行为铺平道路。首先设置自动化工作站，整合微孔板光照装置（例如允许机器人抓手机械臂便捷操作的OptoPlate）。
接下来，使用现有的 MATLAB 脚本处理电子表格，以对光控板进行编程。通过在光控板上闪烁来执行光刺激程序。为机器人编程时，需排查任何潜在错误，以确保载体和 LabWare 定义正常运行。
多次运行空板通过脚本循环，以验证机器人机械臂准确抓取和放置板的能力。接下来，从平板上挑选菌落以制备样品板。然后将菌落接种到玻璃培养管中含3毫升的合成完全培养基中。
将这些培养物在黑暗条件下，于30摄氏度的旋转滚筒中过夜培养。在比色皿中，将200微升培养物用1毫升合成完全培养基稀释。使用分光光度计测定其光密度。
接下来，将每种过夜培养物用玻璃培养管稀释至光密度为0.1。用移液器将稀释后的培养物加入96孔板中。设置仅含空白培养基和非荧光细胞的孔作为阴性对照。
将样品板放入摇床培养箱中，在 30 摄氏度下孵育 5 小时。现在，将样品板放置在加热振荡器上。通过点击“运行”启动自动化程序。
在酶标仪上记录初始测量值后，通过打开照明装置的电源插座启动光照刺激程序。光遗传菌株随时间变化的荧光值显示，整体荧光水平与光照刺激的占空比成正比。相应的光密度值保持一致，表明不同光照条件下菌体生长未受影响。
不同的光遗传学菌株对光脉冲强度、周期和占空比的变化表现出不同的响应。
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概述
本方案概述了利用自动化平台Lustro在酵母中进行光遗传系统高通量表征的步骤。Lustro可实现实时、可靠且高效的表征，并可与液体处理机器人联用，进一步提升自动化水平。
关键研究组成部分
科学领域
- 光遗传学
- 高通量筛选
- 酵母模型系统
背景
- 光遗传学系统可实现对细胞行为的精确控制。
- 现有设备包括生物反应器和微孔板光照装置。
- 生物反应器具有较高的时间分辨率，但通量有限。
- 微孔板设备通量较高，但缺乏自动化功能。
研究目的
- 利用Lustro对光遗传系统进行高通量表征。
- 提高随时间记录输出结果的自动化水平。
- 提升液体处理机器人执行检测实验的效率。
使用的方法
- 利用Lustro平台进行表征分析。
- 与液体处理机器人集成，实现检测自动化。
- 对光遗传系统进行实时监测。
- 与传统生物反应器及微孔板方法进行比较。
主要结果
- Lustro 可提供对光遗传学系统的可靠表征。
- 高通量能力超越传统方法。
- 实时数据记录可提高实验准确性。
- 自动化减少了人工干预和误差。
结论
- Lustro 是一种用于高通量光遗传学研究的有效工具。
- 自动化显著改进了实验工作流程。
- 未来的应用可能会扩展到其他生物系统。
常见问题
行业重要性概述
由Lustro平台实现的高通量光遗传学技术应用于酵母中，解决了合成生物学和基因线路工程中设计-构建-测试循环迭代的瓶颈问题。Lustro通过自动化光刺激和定量检测，提高了预测的可靠性，并加快了可编程细胞系统的早期发现关键节点。该技术能够支持对光遗传构建体进行全组合评估，从而缩短研发流程中的周期时间，降低资源消耗。
生物制药研发中的策略性应用
早期发现与靶点验证
- 在受控光照条件下，实现对基因回路功能的快速探究。
- 通过量化多种构建体的光遗传学响应动力学，支持生物学风险评估。
- 通过精确、可编程的刺激与测量，促进功能靶点的验证。
- 提高推进合成生物学资源开发的预测可信度。
筛选与检测方法开发
- 自动化完成酵母菌株的制备与刺激，实现标准化、可重复的检测。
- 提供高通量、定量的荧光和生长测量，支持稳健的筛选。
- 可扩展评估光遗传系统参数，如占空比和光强度。
- 支持在多重格式中对化合物或构建体进行可靠评估。
转化与临床前研究
- 在适用情况下，将光遗传学系统性能与疾病相关的细胞行为相匹配。
- 为可编程基因表达系统提供从发现到临床前验证的连续性。
- 通过将光输入与定量表型输出关联，减少机制上的模糊性。
流程与工作流整合
Lustro 通过自动化光遗传系统表征，并为下游开发提供数据驱动的构建体筛选，从而融入从发现到先导物识别的连续过程。
- 发现生物学：通过可编程光刺激和实时测量，支持假设验证和通路解析。
- 筛选：提供即用型、可重复且定量的检测输出，用于构建体的筛选。
- 分析：提供时间分辨荧光和生长数据，以比较不同条件下光遗传学响应。
- 转化研究：促进可编程系统向临床前模型推进过程中的连续性。
- 企业级复用：建立可重复使用的自动化平台，支持迭代式合成生物学工作流程。
运营与企业影响
- 科学价值：提高光遗传系统开发中的预测置信度，降低机制不确定性。
- 操作价值：标准化并规模化光遗传检测，最大限度减少人工干预和误差。
- 战略价值：加快决策进程，优化合成生物学项目组合中的资源分配。
- 项目组合影响：实现对可编程细胞系统资产的风险调整后优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备光遗传学、自动化编程和定量检测设计方面的专业知识。
- 依赖于集成化仪器设备：照明装置、酶标仪、摇床和机械臂。
- 为确保可重复性，需要跨团队统一实验方案和数据格式标准。
- 若应用于其他模式系统，可能需要对硬件和实验方案进行调整。
- 通量和检测复杂性受限于平台配置和微孔板格式。
