La trasfezione di protoplasti vegetali, l'introduzione di materiale genetico estraneo in cellule vegetali prive di pareti cellulari, è una tecnica cardine e, nell'ultimo mezzo secolo, ha coinvolto numerose specie a supporto della ricerca sulle biotecnologie vegetali. Tuttavia, l'utilizzo di questi metodi può essere doloroso e di portata limitata, anche con milioni di protoplasti prodotti per isolamento. I metodi tradizionali di trasfezione dei protoplasti vegetali sono spesso laboriosi, dispendiosi in termini di tempo, soggetti a variabilità e tecnicamente impegnativi, portando a sistemi di nicchia con bassa riproducibilità1. Tuttavia, le potenzialità introdotte dalle soluzioni automatizzate negli ultimi anni illuminano la possibilità di dare nuova vita a questa tecnica giovane di 60 anni 2,3. Con il potenziale di automatizzare passaggi cruciali ma ripetitivi come la preparazione del materiale, l'incubazione del polietilenglicole (PEG) e la successiva dispensazione dei reagenti di trasfezione, i ricercatori possono ridurre significativamente i requisiti di manipolazione fisica e altre potenziali fonti di errore umano4. Inoltre, il controllo preciso e l'uniformità offerti dai sistemi automatizzati di manipolazione dei liquidi garantiscono risultati di trasfezione coerenti e riproducibili.
Mentre l'isolamento dei protoplasti è un processo meticoloso che coinvolge il taglio, la digestione, l'incubazione, la filtrazione e la centrifugazione, la parte di trasfezione di questi protocolli è fatta su misura per i gestori automatizzati di liquidi. La procedura per la maggior parte dei protocolli di trasfezione dei protoplasti è mediata da PEG e la miscelazione del protoplasto isolato in presenza di PEG e DNA plasmidico purificato per una durata specificata a una concentrazione precisa (dipendente dalla specie e dal tessuto) consente a queste cellule di assorbire il DNA plasmidico5. Questa trasfezione è seguita da una serie di fasi di lavaggio, che culminano in un'incubazione notturna6. Dopo il periodo di incubazione, se tutto è stato progettato e consegnato correttamente, l'esperimento si traduce nell'espressione della componente di interesse e/o nella possibilità di valutare diverse componenti regolatorie7. Tutte le fasi di aspirazione, dispensazione e agitazione/miscelazione associate a questa procedura sarebbero normalmente gestite da una pipetta manuale. L'esecuzione manuale di un tale protocollo, una singola reazione alla volta, è laboriosa e introduce variazioni non necessarie tra i campioni, limitando anche la capacità che può essere valutata in un dato momento. I protocolli automatizzati per la manipolazione di cellule di mammiferi o insetti e la sintesi chimica nell'industria farmaceutica sono in pratica da diversi anni 4,8,9. L'utilizzo di Protoplast e i protocolli che coinvolgono la gestione automatizzata dei liquidi dei materiali vegetali sono in aumento 10,11,12,13.
L'adozione di protocolli automatizzati di manipolazione dei liquidi per la trasfezione di protoplasti vegetali è molto promettente per le applicazioni di ricerca. I ricercatori possono esplorare librerie genetiche più ampie, esaminare funzioni geniche specifiche a un ritmo accelerato e studiare in modo più completo le complesse interazioni genetiche correlate allo stress delle piante14. La scalabilità degli approcci automatizzati che utilizzano pod a 96 pozzetti, combinati con lo screening a fluorescenza, consente la sperimentazione ad alto rendimento e consente agli scienziati di generare rapidamente dati e approfondimenti che possono alimentare i progressi nella biotecnologia vegetale11. Tuttavia, con questo aumento della velocità effettiva, che porta alla generazione di centinaia, se non migliaia di punti dati, è necessario un ulteriore controllo di qualità che tenga conto di eventuali fonti di errore che possono confondere i risultati15. Un elemento che è stato identificato come un fattore che contribuisce a numerose discipline scientifiche è l'effetto limite. Alcune strategie di mitigazione suggeriranno la piastra migliore da utilizzare o riempire lo spazio tra i pozzetti o i pozzi più esterni con acqua per combattere questo fenomeno16,17. Tuttavia, queste strategie aggiungono tempo e, se uno specifico usa e getta non è disponibile, l'unica opzione è accontentarsi di meno o posticipare. In alternativa, l'analisi di strategie che tengono conto di questo effetto tramite uno schema di blocco non comporta alcun sacrificio di throughput o ritardo nell'esecuzione.
Questo protocollo di protoplasti di foglie di mais eziolati e i suoi due metodi automatizzati illustrati nella Figura 1 cercano di affrontare la variabilità inerente agli esperimenti sui protoplasti automatizzando porzioni multiple del metodo canonico dei protoplasti, l'allocazione del materiale plasmidico al recipiente utilizzato per la trasfezione e la trasfezione stessa. Questi metodi sono dimostrati per la piattaforma di protoplasti di foglie di mais eziolata in quanto è una piattaforma di protoplasti ben caratterizzata, semplice ed efficiente. Tutti i passaggi descritti all'interno sono immediatamente accessibili ai protocolli di trasfezione dei protoplasti, che utilizzano soluzioni tampone simili o uguali. Tuttavia, prima dell'adozione di queste tecniche, è necessario prestare particolare attenzione alle caratteristiche uniche dei tessuti e delle specie di protoplasti. Questi miglioramenti attraverso l'automazione semplificano la preparazione del materiale per i singoli esperimenti e migliorano significativamente la produttività, passando dalla trasfezione sequenziale una per una a 96 trasfezioni gestite simultaneamente. Questo lavoro mostrerà anche la giustificazione per l'utilizzo di blocchi incompleti randomizzati per tenere conto del bias posizionale su piastra.