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A Practical Guide to Phage- and Robotics-Assisted Near-Continuous Evolution(파지 및 로보틱스 지원...

Research Article

A Practical Guide to Phage- and Robotics-Assisted Near-Continuous Evolution(파지 및 로보틱스 지원 거의 연속 진화에 대한 실용 가이드)

DOI: 10.3791/65974

January 12, 2024

Samir Aoudjane1, Stefan Golas2, Osaid Ather1, Michael J. Hammerling3, Erika DeBenedictis1

1The Francis Crick Institute, 2Massachusetts Institute of Technology, 3Future House

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Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

In This Article

Summary Abstract Introduction Protocol Representative Results Discussion Disclosures Acknowledgements Materials References Reprints and Permissions

Erratum Notice

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Retraction Notice

The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice

Summary

파지 및 로보틱스 지원 근연속 진화(PRANCE)는 빠르고 강력한 단백질 진화를 위한 기술입니다. 로봇 공학은 실험의 병렬화, 실시간 모니터링 및 피드백 제어를 가능하게 합니다.

Abstract

로봇 가속 진화 기술은 피드백 제어를 사용하여 진화의 신뢰성과 속도를 향상시켜 단백질 및 유기체 진화 실험의 결과를 개선합니다. 이 기사에서는 PRANCE(Phage- and Robotics-assisted Near-continuous Evolution)를 구현하는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 설정에 대한 가이드를 제공합니다. PRANCE는 빠른 파지 기반 분자 진화와 수백 개의 독립적이고 피드백 제어 진화 실험을 동시에 실행할 수 있는 기능을 결합합니다. 이 백서에서는 액체 취급 기기, 플레이트 리더, 보조 펌프, 히터 및 3D 프린팅 용기를 포함한 PRANCE의 하드웨어 요구 사항 및 설정에 대해 설명합니다. Python 기반 오픈 소스 소프트웨어와 호환되도록 액체 처리 로봇을 구성하는 방법을 설명합니다. 마지막으로, 기능을 실행하고 시스템이 다중화 진화를 수행할 준비가 되었는지 검증하는 새로 구성된 PRANCE 시스템으로 수행할 수 있는 처음 두 가지 실험에 대한 제안을 제공합니다. 이 가이드는 로봇 가속 진화 수행과 관련된 상당한 장비 설정을 탐색하기 위한 핸드북 역할을 하기 위한 것입니다.

Introduction

PRANCE는 두 가지 강력한 유도 진화 기술의 조합입니다. 첫 번째는 PACE1로, 유전자 다양화 및 선택을 M13 박테리오파지의 빠른 수명 주기에 결합하는 분자 기술로, 액체 파지 배양에서 빠른 진화 라운드가 지속적으로 발생할 수 있도록 합니다. 이 선택은 진화하는 단백질의 기능을 pIII, 파지 번식에 필요한 M13의 꼬리 코트 단백질의 발현에 결합하는 플라스미드 인코딩 유전자 회로를 사용하여 주도되며, 이는 그림 1에 설명되어 있습니다. 실험 수준에서, 액체 파지 배양액의 지속적인 희석은 연속적인 선택을 가능하게 합니다. 따라서 선택 엄격성은 유전자 회로 수준뿐만 아니라 파지 배양 희석 속도를 제어하여 실험 수준에서도 조절될 수 있습니다. 따라서 PACE는 pIII 발현을 유도하기 위해 대장균 박테리아에서 원하는 활성을 감지할 수 있는 분자 센서가 있는 모든 생체 분자 엔지니어링 과제에 적용할 수 있습니다. 응용 분야에는 단백질-단백질 결합 2,3,4, 단백질-DNA 결합5, 단백질 용해도6 및 수많은 특정 효소 기능7의 진화가 포함됩니다. 두 번째는 로보틱스 가속 진화 8,9로, 피드백 컨트롤러를 사용하여 지향 진화의 두 가지 일반적인 실패 모드, 즉 환경이 너무 엄격할 때 발생하는 멸종과 환경이 너무 관대할 때 발생하는 진화 부족을 제거합니다. PANCE(Phage-assisted Non-continuous Evolution)7,10에서 수행된 파지의 연속 패시징과 달리, 로봇 가속 "거의 연속적인" 진화는 중간 로그 단계에서 배양을 유지하는 신속한 피펫팅을 포함하여 개체군이 감염 및 전파의 지속적인 주기를 경험할 수 있도록 합니다. 이 두 가지 기술을 함께 사용하면 Phage 및 Robotics-assisted Near-continuous Evolution8의 약자인 PRANCE라고 하며, 이를 통해 강력하고 다중화되며 빠른 연속 진화를 가능하게 합니다. PRANCE는 중합효소, tRNA 및 아미노-아실 tRNA 합성효소를 진화시키고 이러한 진화 과정에서 피드백 제어를 수행하여 속도와 신뢰성을 향상시키는 데 사용되었습니다8.

액체 취급 로봇에서 박테리오파지를 사용할 수 있도록 하는 PRANCE의 하드웨어 및 소프트웨어 설정에 대한 몇 가지 세부 정보가 있습니다. 로봇 제조업체에서 제공하는 기본 소프트웨어를 사용하는 대신 Python 기반 오픈 소스 소프트웨어 패키지11을 사용하여 빠른 동시 실행을 가능하게 하여 반연속 바이오리액터를 중간 로그 단계로 유지할 수 있습니다. 갑판에 있는 여러 구성 요소를 정기적으로 자체 멸균하여 연구원의 휴직 시간을 며칠로 연장할 수 있으며, 이는 이러한 구성 요소를 표백하고 헹굴 수 있는 펌프의 자동 제어를 통해 달성됩니다. 파지 교차 오염은 포스 핏 팁을 사용하지 않는 액체 취급 로봇을 사용하고 액체 취급 설정을 신중하게 조정하여 제거할 수 있습니다.

Protocol

1. 하드웨어 설정

주: 그림 2 를 참조하십시오view PRANCE 시스템의 하드웨어 구성 요소에 대한 설명과 그림 3 물리적으로 조립된 이러한 구성 요소의 사진.

  1. 액체 취급 기기, 플레이트 리더 및 보조 펌프를 포함한 PRANCE 시스템의 기본 하드웨어를 구합니다.
    참고: 현재까지 모든 PRANCE 시스템은 8채널, 개별 주소 지정이 가능한 피펫팅 암, 단일 피스톤 96팁 피펫팅 암, 플레이트 이동용 로봇 그리퍼, 팁 멸균을 위한 통합 세척 스테이션, 흡광도 및 발광 측정이 가능한 통합 플레이트 리더가 장착된 중대형 액체 취급 기기에 구현되었습니다.
  2. 액체 처리 로봇의 모델과 기능에 따라 가열 전략을 구성하십시오. 가열판 캐리어 또는 히터 매개 로봇 실내 온도 조절 장치를 사용하십시오.
  3. 팁을 재사용할 수 있도록 팁 세척 스테이션을 설치하십시오.
    알림: 현재까지 PRANCE 시스템은 기성품 세척 스테이션을 사용했지만 원칙적으로 이 구성 요소는 저렴한 구성 요소로 쉽게 구성할 수 있습니다.
  4. 37°C에서 작동하는 실시간 바이오리액터를 chemostat/turbidostat로 설정하여 로그 단계에서 유지되는 박테리아 배양의 소스를 확립합니다. 또는 근처 냉장고에서 37°C의 log-phase(0.25와 0.45 사이의 OD600 )에서 미리 성장한 최소 1L 부피의 log-phase 박테리아 배양을 체포합니다. 침전을 방지하기 위해 차갑거나 따뜻한 배양액을 셰이커 플레이트 또는 교반 플레이트를 사용하여 정기적으로 저어주어야 합니다.
  5. 필요한 소프트웨어 및 드라이버와의 로봇 통합을 위해 선호하는 펌프를 구성합니다. 펌프가 10-100mL 정도의 정의된 양의 액체를 전달할 수 있도록 소프트웨어를 구현합니다.
    알림: 이 구현에 사용되는 펌프의 재료 표 와 제조업체의 web이러한 펌프를 작동하는 데 사용되는 소프트웨어 및 구성 방법에 대한 문서는 사이트를 참조하십시오. 이 원고에 설명된 PRANCE 설정에 사용된 펌프용 소프트웨어는 다음 GitHub 리포지토리에서 오픈 소스로 제공 https://github.com/dgretton/std-96-pace PRANCE에는 3개의 개별 채널(박테리아를 박테리아 저장소로 전달, 박테리아 저장소로 표백제 전달, 박테리아 저장소로 배출)을 펌핑할 수 있는 최소 3개의 펌프 매니폴드가 필요하며, 각 채널의 속도는 독립적으로 보정 및 제어됩니다. 과거에는 사람들이 어항 펌프와 수경 펌프 어레이를 사용했지만 원칙적으로 비단뱀 제어 가능한 연동 펌프를 사용할 수 있습니다. 필수 기능에는 로봇 그리퍼를 사용하여 플레이트를 리더 안팎으로 옮기고, 플레이트 리더 측정을 시작하고, 측정에 액세스하는 기능이 포함됩니다.
  6. 보충 파일 1(https://drive.google.com/file/d/16ELcvfFPzBzNSto0xUrBe-shi23J9Na7/view?usp=share_link)에 있는 대로 최소한 박테리아 저장소/분배 매니폴드("와플")를 포함하여 PRANCE 시스템에 필요한 맞춤형 데크 구성 요소를 3D 인쇄합니다. 이러한 용기를 데크에 고정하고 표준 액체 처리 로봇 소프트웨어를 사용하여 위치를 보정합니다. 저장소를 펌프 어레이에 연결합니다.
    알림: 로봇에 따라 다르므로 보정을 수행하는 방법에 대한 자세한 내용은 로봇 제조업체의 설명서를 참조하십시오. 수지 기반 3D 프린터가 가장 적합합니다. 사용된 프린터 유형의 예는 재료 목차에 나와 있습니다. 표준 투명 레진이 기본 프린터 설정과 함께 사용되었습니다.
  7. 시스템에 지역 생물 안전 권장 사항과 호환되는 배수구를 장착하십시오.
  8. 그림 4와 같이 Liquid Handling Robot의 데크에 실험기구를 놓습니다.
  9. 표준 실험실 개인 보호 장비(예: 실험실 가운, 장갑 및 보안경)의 사용을 포함한 표준 안전 절차를 따르십시오.

2. 소프트웨어 준비

  1. 오픈 소스 PyHamilton 리포지토리에서 사용할 수 있는 python11을 사용하여 액체 처리 로봇을 제어하는 데 사용되는 오픈 소스 소프트웨어를 설치합니다. https://github.com/dgretton/pyhamilton
  2. 그림 4와 같이 Liquid Handling 로봇 소프트웨어의 데크 레이아웃 파일을 수정하고 보정하여 로봇 데크의 실험기구 위치를 정확하게 반영합니다.
    알림: 여기에 사용된 설정은 제공된 문서에 따라 액체 처리 로봇 제조업체에서 제공한 소프트웨어를 사용합니다.
  3. 시뮬레이션 모드에서 PRANCE 로봇 메소드 프로그램을 실행합니다.
    1. 그림 5와 같이 다음 명령(Windows 운영 체제)을 사용하여 명령줄을 엽니다.
      Windows 키 + R
      cmd를 입력합니다.
    2. 상위 디렉토리를 로봇 메소드 프로그램의 디렉토리로 변경합니다. 그림 5와 같이 올바른 경로로 아래와 같이 명령을 입력합니다.
      CD c:\Robot_methods_directory\프랜스
    3. 그림 5와 같이 시뮬레이션 모드 플래그를 사용하여 Python으로 로봇 메서드 프로그램을 호출합니다.
      py robot_method.py --simulate
    4. 프로그램이 실행될 때 열리는 Robot Run Control 창의 왼쪽 상단에 있는 PLAY 단추를 선택합니다(그림 5).
      참고: 계속 진행하기 전에 시뮬레이션에서 PRANCE 메서드가 오류 없이 실행될 수 있는지 확인합니다. 스크립트가 오류 없이 시뮬레이션 모드에서 작동할 수 있는지 여부는 시스템의 오류 처리가 호출되지 않고 기본 프로그램의 여러 루프를 완료하여 기본 프로그램 루프를 종료하기 때문에 분명해집니다.
  4. 시뮬레이션 모드를 비활성화한 상태에서 PRANCE 로봇 방법 프로그램을 실행합니다.
    1. 해당 디렉터리에서 명령줄을 엽니다(그림 5).
      Windows 키 + R
      cmd를 입력합니다.
      CD c:\Robot_methods_directory\프랜스
    2. 플래그 없이 Python을 사용하여 로봇 메서드 프로그램을 호출합니다.
      py robot_method.py
    3. 프로그램이 실행될 때 열리는 로봇 실행 제어 창의 왼쪽 상단에 있는 PLAY 버튼을 선택합니다.
    4. PyHamilton이 계측기를 제어하고 초기화할 수 있는지 확인합니다.
  5. 실시간 데이터 동기화를 설정합니다.
    참고: 현재까지 PRANCE 시스템은 사용자가 원격 파일 공유 소프트웨어 또는 원격 데스크톱을 통해 로그 파일 및 실시간 플레이트 리더 측정 그래프를 모니터링할 수 있는 네트워크 컴퓨터를 사용했습니다.
  6. 자동 업데이트를 끕니다.

3. 실행 전 준비

  1. 계획된 실행에 필요한 모든 배양에 대해 로그 단계 박테리아 배양 소스를 사용할 수 있고 침전을 방지하기 위해 활발하게 교반되고 있는지 확인합니다. 활성 화학요법/탁도(turbidostat) 또는 성장이 억제된 냉장 사전 성장 배양균을 사용하십시오.
  2. 프로그램 주기당 96웰 석호의 각 웰로 펌핑할 박테리아 배양액의 부피(범위 0-500μL)에 대한 세부 정보로 컨트롤러 매니페스트 파일을 업데이트합니다. 이를 통해 석호 희석률을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이는 그림 6에서 볼 수 있습니다.
    1. 그림 7과 같이 DilutionCalculator.xlsx 스프레드시트(보충 파일 2로 제공됨)를 사용하여 석호의 희석률을 계산합니다.
  3. robot_method.py 파일을 의도한 석호 높이로 업데이트합니다. 이 프로토콜을 따르려면 프로그램에서 변수 fixed_lagoon_height의 기본값으로 14(밀리미터 단위)를 사용합니다. 이는 시스템의 550μL의 석호 부피에 해당하지만 사용되는 특정 96-딥 웰 플레이트에 따라 다를 수 있습니다.
  4. 깨끗하게 여과된 피펫 팁을 로봇 데크의 지정된 위치에 놓고 팁 랙을 팁 홀더에 테이프로 붙여서 실행 중 안정성을 보장합니다.
  5. 깨끗한 96-deep-well 플레이트를 지정된 위치의 로봇 데크에 놓습니다.
  6. 깨끗한 96웰 리더 플레이트를 로봇 데크의 지정된 위치에 놓습니다.
  7. 플레이트 리더 트레이가 기존 플레이트로 채워져 있지 않은지 확인하십시오.
  8. 펌프가 컴퓨터에 연결되어 있고 올바른 주소에 할당되어 있는지 확인하십시오.
  9. 펌프를 활성화하여 표백제를 펌핑한 다음 물을 펌핑하여 펌프 라인을 청소하십시오.
  10. 펌프 라인을 적절한 소스 및 출력에 연결하고 올바른 라인이 관련 박테리아 배양에 연결되도록 세심한 주의를 기울입니다.
  11. 박테리아 저장소 및 피펫 팁 세척을 위해 표백제/물이 들어 있는 탱크/버킷을 다시 채우십시오.
  12. 데크의 모든 구성 요소, 특히 이동식 요소가 지정된 위치에 고정되어 있는지 확인합니다.
  13. 목표 온도(예: 37°C; 그림 8).
  14. UV 멸균 프로토콜 실행 file 제조업체에서 제공한 액체 처리 로봇에 내장된 UV 멸균 램프를 10분 동안 작동시킵니다(그림 9).
    1. 프로그램이 실행될 때 열리는 로봇 실행 제어 창의 왼쪽 상단에 있는 PLAY 버튼을 선택합니다.
    2. 600초 동안 parametrized 옵션을 사용하여 파일을 실행합니다.
  15. 로봇 실행 제어 소프트웨어가 닫혀 있는지 확인하십시오.
    알림: 실행 중인 Run Control 소프트웨어의 기존 인스턴스가 있는 경우 로봇 방법 프로그램이 충돌합니다.

4. 하드웨어 및 소프트웨어 통합

  1. PRANCE 로봇 분석법 프로그램이 모든 배양균과 습식 시약을 물로 대체하여 밤새 실행되는 '물 달리기'를 수행합니다.
    알림: 이 테스트는 실온에서 실행할 수 있습니다.
    1. 그림 5 및 그림 6과 같이 1 부피/h의 효과적인 석호 희석률을 위해 설정된 controller_manifest 및 robot_method 사용하여 위에서 설명한 대로 사전 실행 준비를 완료합니다.
    2. '박테리아 in' 라인을 물통에 연결하여 물 흐르기 위해 로그 단계 박테리아를 교체합니다.
      알림: 식용 색소를 수원에 추가하여 실험을 통해 액체 이동을 추적할 수 있습니다.
    3. 해당 디렉터리에서 명령줄을 엽니다.
    4. 새로운 실행 플래그(py robot_method.py --new)를 사용하여 Python으로 로봇 메서드 프로그램을 호출하고 로그 파일 이름(TestRun), 석호 웰 수 (16), 주기 기간 (30), 리더 플레이트당 주기 수 측정 (4) 및 유도기 부피 (유도기 부피는 0 )이 테스트 실행의 경우 그림 5와 같이 아라비노스로 돌연변이 유발이 유도되는 진화 중에 이 값은 10μL일 수 있습니다.
    5. 인수가 제공된 후 프로그램이 실행될 때 열리는 Robot Run Control 창의 왼쪽 상단에 있는 PLAY 버튼을 선택합니다.
      알림: PRANCE 방법은 빈 석호판을 사용하여 시작할 수 있으며 석호의 액체 부피는 처음 6주기 동안 최종 부피와 평형을 이룹니다.
  2. PRANCE 프로토콜이 박테리오파지 없이 목표 온도의 박테리아 배양으로만 밤새 실행되는 '박테리아 전용 실행'을 수행합니다.
    1. 그림 5 및 그림 6과 같이 1 부피/h의 효과적인 석호 희석률을 위해 설정된 controller_manifest 및 robot_method 사용하여 위에서 설명한 대로 사전 실행 준비를 완료합니다. 히터가 목표 온도인 37°C에 대해 켜져 있는지 확인하십시오.
    2. '박테리아 in' 라인을 선택한 로그 단계 박테리아 소스에 연결합니다.
    3. 해당 디렉터리에서 명령줄을 엽니다.
    4. 새로운 실행 플래그(py robot_method.py --new)를 사용하여 Python으로 로봇 메서드 프로그램을 호출하고 이전 섹션 4.1.4에서 자세히 설명한 대로 요청된 인수를 입력합니다.
    5. 인수가 제공된 후 프로그램이 실행될 때 열리는 Robot Run Control 창의 왼쪽 상단에 있는 PLAY 버튼을 선택합니다.
  3. 진화된 단백질을 가진 파지가 그 단백질을 필요로 하는 박테리아에서 번식하도록 도전하는 '감염 테스트'를 실행합니다.
    참고: 파지를 접종할 석호와 접종하지 않을 석호를 미리 결정하여 교차 오염을 감지하기 위한 무파지 대조군 석호 역할을 합니다.
    1. 그림 5 및 그림 6과 같이 1 부피/h의 유효 희석률을 위해 설정된 controller_manifest 및 robot_method 사용하여 위에서 설명한 대로 사전 실행 준비를 완료합니다. 히터가 목표 온도인 37°C에 대해 켜져 있는지 확인하십시오.
    2. '박테리아 in' 라인을 선택한 로그 단계 박테리아 소스에 연결합니다.
    3. 해당 디렉터리에서 명령줄을 엽니다.
    4. 새로운 실행 플래그(py robot_method.py --new)를 사용하여 Python으로 로봇 메서드 프로그램을 호출하고 이전 섹션 4.1.4에서 자세히 설명한 대로 요청된 인수를 입력합니다.
    5. 인수가 제공된 후 프로그램이 실행될 때 열리는 Robot Run Control 창의 왼쪽 상단에 있는 PLAY 버튼을 선택합니다.
    6. 박테리오파지를 첨가하기 전에 2-3시간 동안 방법을 실행하여 석호 플레이트의 부피와 박테리아 OD를 평형화합니다.
    7. 프로그램이 휴면 상태일 때 실행 주기가 끝날 때 106 pfu/mL의 박테리오파지를 with-phage 석호에 접종합니다(예: 플라크 분석 또는 qPCR에 의해 결정된 108 pfu/mL에서 5.5 μL의 파지 분취액), 550 μL 석호에 접종합니다.
    8. 하룻밤 동안 프로그램을 실행한 다음 플라크 분석 또는 qPCR을 통해 석호 웰의 파지 역가를 확인합니다.

Representative Results

감염 검사 결과
이 테스트는 박테리아 배양, 파지 클로닝 및 역가, 장비의 온도 안정성, 액체 취급 설정 및 플레이트 리더 통합과 관련된 문제를 보여줍니다. 성공적인 파지 감염 검사는 파지를 접종한 석호에서는 명확하고 빠른 파지 감염을 나타내고 파지가 없는 석호에서는 신호가 없음을 나타냅니다. 그림 10 은 파지 감염 검사의 몇 가지 대표적인 결과를 보여줍니다. 실험 결과는 또한 "고온 PRANCE"(살아있는 박테리아 탁도에 의해 공급됨) 또는 "저온 PRANCE"(냉장 중간 로그 상 배양에 의해 공급됨) 구성이 구현되고 있는지 여부에 따라 이 PRANCE 논문8의 그림 1d 및 1c와 비교할 수 있습니다. 이 테스트를 통해 몇 가지 일반적인 문제가 드러날 수 있습니다. 박테리아 배양 준비에 문제가 있으면 감염이 약하거나 없는 경우가 많습니다. 박테리아는 중간 로그 단계와 37°C에 있을 때만 M13 파지에 의해 최적으로 감염될 수 있습니다. 다른 온도와 성장 단계에서는 필루스 발현이 약하여 파지 감염에 덜 취약하다12. 낮은 titer 파지 또는 백본 돌연변이가 있는 파지로 접종하면 신호가 지연되거나 부재할 수 있습니다. 형광 또는 발광에 대한 플레이트 리더 게인 설정과 관련된 문제는 이 테스트를 통해 드러날 것입니다.

Figure 1
그림 1: PRANCE 장치의 감염 테스트 실행 중 작동하는 유전자 회로의 개략도. 파지 게놈에 인코딩된 T7 RNA 중합효소가 대장균 숙주를 감염시키면 전사되어 T7 promoter의 AP에 결합하여 pIII 파지 단백질과 luxAB 단백질의 전사를 유도하여 파지 증식 및 발광 생성을 촉진합니다. 약어: PRANCE = Phage- and Robotics-assisted Near-continuous Evolution; AP = 액세서리 플라스미드. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: PRANCE 시스템의 물리적 구성 요소 개략도. 냉장고에는 교반된 배양액이 저장되어 있으며, 이 배양액은 일련의 펌프에 의해 로봇 데크로 옮겨져 박테리아 저장소인 "와플"로 옮겨집니다. 액체 처리 로봇은 피펫팅 헤드를 사용하여 박테리아 배양을 "와플"에서 배양 온도로 예열하기 위해 홀딩 웰로 이동한 다음 주 배양이 발생하는 석호로 이동하는 데 사용됩니다. 홀딩 웰과 라군은 모두 표준 2mL 딥 웰 플레이트입니다. 로봇은 샘플을 일회용 리더 플레이트로 가져가고, 이 플레이트는 측정을 위해 플레이트 리더로 이동합니다. 약어: PRANCE = Phage- and Robotics-assisted Near-continuous Evolution. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: PRANCE 로봇 장치. (A) PRANCE 설정. (I) HEPA 필터 및 외부 히터. (II) 배양 냉장고. (III) 메인 로봇 인클로저. (IV) 플레이트 리더. (V) 펌프 및 탱크. (B) 로봇 인클로저. (VI) 주요 배양 펌프. (VII) 물, 폐기물 및 표백제 탱크. (VIII) 워셔 펌프. (C) 로봇 인클로저. (IX) 로봇 피펫팅 암 및 그리퍼. (X) 피펫 팁. (XI) 로봇에 배양 분배를 가능하게 하는 3D 프린팅 구성 요소("와플"). (XII) 플레이트 리더에서 샘플링을 위한 플레이트. (XIII) 팁 세척용 양동이. (XIV) "석호(Lagoons)": 진화적 배양이 이루어지는 배양 용기. 약어: PRANCE = Phage- and Robotics-assisted Near-continuous Evolution; HEPA = 고효율 미립자 공기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 데크 레이아웃. (A) 로봇 제어 소프트웨어에서 데크 레이아웃의 3D 표현. (B) 데크 구성 요소의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 예제 매개변수(위)와 실행 제어 소프트웨어(아래)가 있는 명령줄 스크린샷. 재생 버튼은 왼쪽 상단에 있으며 로컬 구현에 따라 마우스로 클릭하거나 터치스크린으로 작동할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 테스트 실행을 위해 구성된 컨트롤러 매니페스트 파일 배양 #0을 포함하는 석호는 96-deep-well plate의 열 1과 3에 있을 것입니다. 나머지 열은 비어 있습니다. 96-deep-well-plate의 A, B, D, E열은 오른쪽 열에 파지(1)에 의한 감염으로 표시되어 있고, 다른 열(0)은 노파지 대조군입니다. 컨트롤러 매니페스트의 이 인스턴스는 프로그램이 매 사이클마다 210μL의 배양액으로 석호를 희석하는 결과를 낳습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: DilutionCalculator 스프레드시트를 사용한 유효 석호 희석률 계산. DilutionCalculator 스프레드시트에 대한 보충 파일 2를 참조하십시오. 이 그림에서 볼 수 있듯이 30분 주기마다 210μL의 신선한 배양액으로 희석되는 550μL 석호와 4주기마다 판독기 플레이트 측정을 위한 150μL 샘플이 채취되는 경우 1.0석호 부피/h의 유효 희석률에 해당합니다(1시간마다 시간 시작 시 원래 석호 액체의 50%가 남음) 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 숫자.

Figure 8
그림 8: 로봇 히터 시스템. 히터는 빨간색 원으로 표시된 대로 전원 공급 장치를 연결하여 활성화됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 9
그림 9: UV 오염 제거 프로토콜 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 10
그림 10: PRANCE 시스템에서 실행된 감염 테스트 측정. 실행 중에 샘플을 채취하고 발광 및 흡광도를 측정합니다. 각 석호에 대해 발광 측정값은 해당 흡광도 측정값으로 나뉘어 시간 함수로 표시됩니다. 파지에 감염된 석호는 녹색으로 표시되지만, 감염되지 않은 대조군 석호는 검은색으로 표시됩니다. 약어: PRANCE = Phage- and Robotics-assisted Near-continuous Evolution. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 최소한 박테리아 저장소/분배 매니폴드("와플")를 포함하여 PRANCE 시스템에 필요한 맞춤형 데크 구성 요소를 3D 프린팅하기 위한 STL 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 2: DilutionCalculator 스프레드시트. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

저자는 공개할 갈등이 없습니다.

Disclosures

파지 및 로보틱스 지원 근연속 진화(PRANCE)는 빠르고 강력한 단백질 진화를 위한 기술입니다. 로봇 공학은 실험의 병렬화, 실시간 모니터링 및 피드백 제어를 가능하게 합니다.

Acknowledgements

하드웨어 및 소프트웨어 설정에 대한 도움과 조언을 해주신 Emma Chory와 Kevin Esvelt에게 감사드립니다. 사미르 아우제인(Samir Aoudjane), 오사이드 아더(Osaid Ather), 에리카 드베네딕티스(Erika DeBenedictis)는 스틸 펄롯 초기 조사관 보조금(Steel Perlot Early Investigator Grant)의 지원을 받습니다. 이 연구는 영국 암 연구(Cancer Research UK, CC2239), 영국 의학 연구 위원회(UK Medical Research Council, CC2239) 및 웰컴 트러스트(Wellcome Trust, CC2239)로부터 핵심 자금을 지원받는 프랜시스 크릭 연구소(Francis Crick Institute)의 지원을 받았습니다.

Materials

용 드 용 대신 냉각 된 박테리아를 사용할 수 있습니다
3D 프린팅된 박테리아 저장소 "와플"--https://drive.google.com/file/d/16ELcvfFPzBzNSto0xUrBe-shi23J9Na7/view; 로봇 데크
3D 프린터FormLabsForm 3B+3D 프린터 구성 요소
3D 프린터 레진(투명)FormLabsRS-F2-GPCL-04소모품 3D 프린터
8-1,000 µ L 헤드Hamilton10140943액체 핸들링 로봇
96-1,000 µ L 피펫 헤드Hamilton10120001액체 취급 로봇 용
블랙 폴리스티렌 플레이트 리더 마이크로 플레이트Millipore SigmaCLS3603로봇 데크
BMG Labtech Spectrostar FLuorstar OmegaBMG Labtech10086700액체 취급 로봇 용
세척 용액Fluorochem LimitedF545154-1L로봇의 액체 취급 부품을 청소하는 데 사용됩니다.
딥 웰 플레이트Appleton WoodsACP006이들은 로봇
엔콜 슈어 히터Stego13060.0-01로봇 인클로저 내부 가열
Hamilton STARHamilton870101액체 취급 로봇
히터ErbauerBGP2108-25액체 취급 로봇
HIG Bionex 용 원심분리기Hamilton10086700액체 처리 로봇용
iSWAP 플레이트 그리퍼Hamilton190220액체 처리 로봇
실험실 튜빙MerckZ280356액체 처리 매니폴
루어-바브 커넥터AIEXB13193/B13246튜빙 커넥터화
마그네틱 교반 플레이트CamlabSKU - 1189930 보조 냉장고
용 분자 피펫 팅 암Hamilton173051액체 처리 로봇
용 OmegaBMG labtech5.7플레이트 리더 제어 소프트웨어
편도 체크 밸브MasterflexMFLX30505-91액체 취급 매니 폴드
pyhamiltonMIT / 오픈 소스의 편도 섹션https://github.com/dgretton/std-96-pace%20PRANCE오픈 소스 파이썬 로봇 제어 소프트웨어
pymodbusopensource3.5.2파이썬 펌프 소프트웨어 인터페이스
냉장고TefcoldFSC175Hturbidostat
S2060 박테리아 균주AddgeneAddgene : # 105064E. coli< / em>
temperature 컨트롤러DigitenDTC102UK온도 조절 장치로 히터를 제어하는 데 사용
온도 조절기 스위치 컨트롤러WILLHIWH1436AWILLHI WH1436A 10 A 온도 컨트롤러 110 V 디지털 온도 조절기 스위치 수비드 컨트롤러 NTC 10K 센서 개선 버전; 액체 처리 로봇
용 VenusHamilton4.6독점 로봇 제어 소프트웨어
MPH 96/384 용 세척 스테이션Hamilton190248액체 핸들링 로봇
추천 펌프 제조업체
Company카탈로그 번호NotesDocumentation
AgrowtekAD6i Hexa Pumphttps://www.agrowtek.com/doc/im/IM_ADi.pdf
AmazonINTLLAB 12V DC
Cole-ParmerEW-07522-3Masterflex L/S 디지털 드라이브, 100 RPM, 115/230 VAC
https://pim-resources.coleparmer.com/instruction-manual/a-1299-1127b-en.pdf Cole-ParmerEW-07554-80Masterflex L/S 이코노미 가변 속도 드라이브, 7 - 200 rpm, 115 VAChttps://pim-resources.coleparmer.com/instruction-manual/a-1299-1127b-en.pdf

References

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