RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ko_KR
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
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.
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.
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.
1. 하드웨어 설정
주: 그림 2 를 참조하십시오view PRANCE 시스템의 하드웨어 구성 요소에 대한 설명과 그림 3 물리적으로 조립된 이러한 구성 요소의 사진.
2. 소프트웨어 준비
3. 실행 전 준비
4. 하드웨어 및 소프트웨어 통합
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

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.
저자는 공개할 갈등이 없습니다.
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.
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.
| 3D 프린팅된 박테리아 저장소 "와플" | - | - | https://drive.google.com/file/d/16ELcvfFPzBzNSto0xUrBe-shi23J9Na7/view; 로봇 데크 |
| 3D 프린터 | FormLabs | Form 3B+ | 3D 프린터 구성 요소 |
| 3D 프린터 레진(투명) | FormLabs | RS-F2-GPCL-04 | 소모품 3D 프린터 |
| 8-1,000 µ L 헤드 | Hamilton | 10140943 | 액체 핸들링 로봇 |
| 96-1,000 µ L 피펫 헤드 | Hamilton | 10120001 | 액체 취급 로봇 용 |
| 블랙 폴리스티렌 플레이트 리더 마이크로 플레이트 | Millipore Sigma | CLS3603 | 로봇 데크 |
| BMG Labtech Spectrostar FLuorstar Omega | BMG Labtech | 10086700 | 액체 취급 로봇 용 |
| 세척 용액 | Fluorochem Limited | F545154-1L | 로봇의 액체 취급 부품을 청소하는 데 사용됩니다. |
| 딥 웰 플레이트 | Appleton Woods | ACP006 | 이들은 로봇 |
| 엔콜 슈어 히터 | Stego | 13060.0-01 | 로봇 인클로저 내부 가열 |
| Hamilton STAR | Hamilton | 870101 | 액체 취급 로봇 |
| 히터 | Erbauer | BGP2108-25 | 액체 취급 로봇 |
| HIG Bionex 용 원심분리기 | Hamilton | 10086700 | 액체 처리 로봇용 |
| iSWAP 플레이트 그리퍼 | Hamilton | 190220 | 액체 처리 로봇 |
| 실험실 튜빙 | 용Merck | Z280356 | 액체 처리 매니폴 |
| 루어-바브 커넥터 | AIEX | B13193/B13246 | 튜빙 커넥터화 |
| 마그네틱 교반 플레이트 | Camlab | SKU - | 1189930 보조 냉장고 |
| 용 분자 피펫 팅 암 | Hamilton | 173051 | 액체 처리 로봇 |
| 용 Omega | BMG labtech | 5.7 | 플레이트 리더 제어 소프트웨어 |
| 편도 체크 밸브 | Masterflex | MFLX30505-91 | 액체 취급 매니 폴드 |
| pyhamilton | MIT / 오픈 소스 | 의 편도 섹션https://github.com/dgretton/std-96-pace%20PRANCE | 오픈 소스 파이썬 로봇 제어 소프트웨어 |
| pymodbus | opensource | 3.5.2 | 파이썬 펌프 소프트웨어 인터페이스 |
| 냉장고 | Tefcold | FSC175H | turbidostat |
| S2060 박테리아 균주 | 대신 냉각 된 박테리아를 사용할 수 있습니다Addgene | Addgene : # | 105064E. coli< / em> |
| temperature 컨트롤러 | Digiten | DTC102UK | 온도 조절 장치로 히터를 제어하는 데 사용 |
| 온도 조절기 스위치 컨트롤러 | WILLHI | WH1436A | WILLHI WH1436A 10 A 온도 컨트롤러 110 V 디지털 온도 조절기 스위치 수비드 컨트롤러 NTC 10K 센서 개선 버전; 액체 처리 로봇 |
| 용 Venus | Hamilton | 4.6 | 독점 로봇 제어 소프트웨어 |
| MPH 96/384 | 용 세척 스테이션Hamilton | 190248 | 액체 핸들링 로봇 |
| 추천 펌프 제조업체 | |||
| Company | 카탈로그 번호 | Notes | Documentation |
| Agrowtek | AD6i Hexa Pump | https://www.agrowtek.com/doc/im/IM_ADi.pdf | |
| Amazon | INTLLAB 12V DC | ||
| Cole-Parmer | EW-07522-3 | Masterflex L/S 디지털 드라이브, 100 RPM, 115/230 VAC | |
| https://pim-resources.coleparmer.com/instruction-manual/a-1299-1127b-en.pdf Cole-Parmer | EW-07554-80 | Masterflex L/S 이코노미 가변 속도 드라이브, 7 - 200 rpm, 115 VAC | https://pim-resources.coleparmer.com/instruction-manual/a-1299-1127b-en.pdf |