에 버 버를 사용 하 여 자동화 된 고 처리량, 지속적인 세포 성장 실험 설계
2019년 5월 19일
이 더에이 버 프레임 워크는 실험적 파라미터에 대 한 높은 분해능과 동적 제어를 통해 고 처리량의 지속적인 미생물 배양을 가능 하 게 합니다. 이 프로토콜은 복잡 한 피트 니스 실험을 수행 하기 위해 시스템을 적용 하는 방법을 보여 주며, 사용자가 여러 개별 문화권에 대 한 자동화 된 제어를 프로그래밍 하 고, 측정 하 고, 수집 하 고, 실시간으로 실험 데이터와 상호 작용 하는 방법을 안내 합니다.
eVOLVER는 연구원에게 실험적 자유, 여러 매개 변수에 대한 자동화된 피드백으로 자신의 문화 성장 실험을 정의하고 필요한 크기로 확장할 수 있는 기능을 제공합니다. eVOLVER는 다른 장치보다 더 유연합니다. 사용자는 각 문화권에 대한 센서를 보유한 스마트 슬리브를 수정하여 Python과 하드웨어에서 소프트웨어를 쉽게 사용자 정의할 수 있습니다.
시스템은 여러 구성 요소와 연결로 언뜻 보기에 복잡해 보일 수 있습니다. 시각적 가이드는 처음 사용자가 스스로 실험을 실행하는 데 더 많은 자신감을 제공합니다. 적절한 설정은 매우 중요합니다.
각 구성 요소가 수행하는 작업을 이해해야 합니다. 그래서 당신은 그들이 작동하는지 확인할 수 있습니다. 모든 것이 올바르게 라우팅되고 긴밀하게 연결되어 있는지 확인합니다.
다양한 조건에서 박테리아와 효모의 호기성 배양을 위해 설계된 동안, eVOLVER는 또한 혐기성 발효 또는 현탁액에 있는 포유류 세포를 유지하기 위하여 수정될 수 있었습니다. 이 비디오는 eVOLVER 플랫폼을 사용하여 높은 처리량 연속 문화 실험을 설정, 초기화 및 실행하는 방법을 보여줍니다. 실험 전날 원고에 따라 미디어, 바이알 및 접종을 준비합니다.
3개의 큰 비커에서 10%의 부커 2개와 70%에탄올의 비커 1개를 준비합니다. eVOLVER 장치의 스위치를 사용하여 eVOLVER의 5볼트 전원 공급 장치를 켜고 5초 동안 기다린 다음 12볼트 전원 공급 장치를 켭니다. 동일한 미디어 병에서 여러 개의 바이알을 실행하는 경우 튜브 스플리터와 여러 미디어 입력 라인을 연결합니다.
사용자 정의 튜브 스플리터는 낮은 구성 요소로 구성 할 수 있습니다. 제1 표백제 비커와 두 번째 표백제 비커의 미디어 유출 선에 미디어 입력 라인을 잠급합니다. 미디어 입력 라인의 다운스트림 끝을 eflux 선과 두 번째 비커에 연결합니다.
폐기물 라인을 폐기물 카보이에 넣습니다. 실험 중에 생성된 폐기물을 소독하기 위해 1~2리터의 표백제를 폐카보이에 넣습니다. eVOLVER의 터치스크린을 사용하여 설정 섹션으로 이동하여 모든 펌프를 20초 동안 실행하여 유체 라인을 10% 표백제로 채웁니다.
표백제가 적어도 30분 동안 선에 앉아 살균할 수 있도록 허용하십시오. 라인이 더 이상 침수되지 않고 라인을 통해 공기를 밀어 가능한 한 많은 표백제를 얻을 때까지 터치 스크린을 사용하여 펌프를 다시 실행합니다. 에탄올 비커에 미디어 입력 라인을 배치, 에탄올로 라인을 채우기, 공기로 플러시.
그런 다음 미디어 입력 라인을 낮은 커넥터로 미디어 병에 부착하고 미디어가 잔류 에탄올을 플러시하는 라인을 완전히 통과할 때까지 펌프를 실행합니다. eVOLVER 스마트 슬리브에 멸균 된 바이알을 부분적으로 삽입하고 색상 코딩에 따라 긴 유출 밀짚에 짧은 유입 빨대 및 폐기물 라인에 입력 라인을 연결합니다. eVOLVER 터치스크린을 조정하여 모든 펌프를 10초 단위로 실행하여 바이알을 미디어로 채웁니다.
육안으로 검사하여 eflux 펌프는 유출을 방지하기 위해 eflux 빨대를 통해 미디어를 효율적으로 제거합니다. 그런 다음 스마트 슬리브에 의해 완전히 감싸될 때까지 바이알을 아래로 밀어 넣습니다. eVOLVER 터치스크린 대화형 설정 페이지에서 터치스크린을 가로질러 손가락을 드래그하거나 모든 선택 버튼을 눌러 모든 바이알을 선택하고 온도의 초기 조건을 섭씨 30도에서 설정하고 저어는 10도로 설정합니다.
컴퓨터에서 실험이 실행될 eVOLVER 장치를 지정합니다. 원하는 교정 설정이 선택되었는지 확인합니다. eVOLVER 대시보드를 열고 실험 관리자 페이지로 이동합니다.
실험 탐색기 패널또는 기존 실험에서 기본 실험을 시작점으로 선택하고 복제본을 클릭합니다. 실험 편집기 페이지로 이동합니다. 바이알 선택기 및 매개 변수 정의 패널을 사용하여 온도를 섭씨 30도로 조정하고 실험 설계에 따라 각 바이알에 대한 OD의 상하 임계값을 설정합니다.
저장을 클릭하여 실험을 저장합니다. 그런 다음 화살표를 클릭하여 실험 관리자 페이지로 돌아가서 실행하려면 재생 버튼을 클릭합니다. 실험이 진행되면 대화형 대시보드의 실시간 데이터 패널로 이동합니다.
각 바이알에 대해 OD 값이 0으로 유지되고 있는지 확인합니다. 온도 그래프를 탐색하여 온도가 섭씨 30도로 진행되고 있는지 확인합니다. 접종을 준비하기 위해 먼저 야간 배양의 OD를 측정하고 25 밀리리터의 바이알 부피와 원하는 시작 OD를 약 0.05로 가정하여 야간 문화에 대한 원하는 전체 희석을 계산합니다.
샘플링 포트를 통해, 피펫은 이노큘럼의 계산된 부피 또는 이노쿨라의 혼합물을 계산한다. 대시보드의 그래프를 확인하여 OD가 0.05로 증가하고 있는지 확인합니다. 세포 성장 및 유리병 조건실험이 진행 중이기 때문에 실시간으로 모니터링할 수 있으므로 문제가 발생하면 연구원이 개입할 수 있습니다.
eVOLVER는 문화 조건의 다중 매개 변수 제어를 허용하는 자동화 된 연속 문화 플랫폼입니다. eVOLVER 성장률 데이터에서 보간된 세대에 대해 로그 비율이 플롯되었을 때 야생 유형, 온도 민감성 및 소금에 민감한 그룹 간에 질적 차이가 나타났습니다. 색상은 선택 온도를 나타내며 대시는 소금 농도를 구별합니다.
최소 3점을 사용하여 각 플롯의 선형 부분을 통과하는 경사면은 변형 변형 변형이 참조 변형 변형과 경쟁하는 방식을 설명하는 정량적 피트니스 값을 산출합니다. 음수 피트니스 값은 변형 균주가 참조 변형 스트레인에 의해 경쟁되지 않는 것을 나타냅니다. 항상 모든 펌프가 효율적으로 실행되고 유체 선이 나막신이 없는지 항상 확인합니다.
오버플로는 실험을 망치고 스마트 슬리브를 손상시킬 수 있습니다. eVOLVER에서 채취한 샘플은 실험의 결과로 게놈 변경을 확인하기 위해 이후에 시퀀스될 수 있다. 이 정보는 새로운 균주 또는 시스템을 엔지니어링하는 데 사용할 수 있습니다.
실험실 진화 또는 라이브러리 선택을 사용하는 연구원의 경우 각 eVOLVER 실험에서 고유한 선택 압력을 쉽게 적용할 수 있습니다. 피드백 제어 및 동적 환경도 이제 매우 액세스할 수 있습니다. 폐기물 카보이는 실험 후 소량의 표백제와 에탄올을 함유할 것입니다.
적절한 폐기물 처리를 위해 실험실 안전 코디네이터에게 문의하십시오.
개요
eVOLVER 프레임워크는 실험 파라미터에 대한 동적 제어가 가능한 고처리량 연속 미생물 배양을 허용합니다. 이 프로토콜은 사용자가 여러 배양을 자동화된 제어로 프로그래밍하고 실시간으로 데이터를 측정하고 상호 작용하는 방법을 안내합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미생물 배양
- 자동 피드백 시스템
- 실험 설계
배경
- eVOLVER 시스템은 배양 성장 실험을 설계할 때 유연성을 제공합니다.
- 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소의 사용자 정의가 가능합니다.
- 성공적인 실험을 위해서는 구성 요소의 적절한 설정 및 이해가 중요합니다.
- 혐기성 발효를 포함한 다양한 배양 조건에 적용할 수 있습니다.
연구 목적
- 연속 배양 실험을 위한 eVOLVER 플랫폼의 설정 및 운영을 시연합니다.
- 미생물 배양의 실시간 모니터링 및 제어를 가능하게 합니다.
- 다양한 미생물 균주 간의 적합성 변이 연구를 용이하게 합니다.
사용된 방법
- 미디어 준비 및 장비 멸균.
- eVOLVER 시스템 설정 및 실험 초기화.
- 대화형 대시보드를 통한 실시간 데이터 모니터링.
- 미생물 균주의 성장률 및 적합성 값 분석.
주요 결과
- 연속 배양 실험의 성공적인 자동화.
- 광학 밀도(OD) 및 온도의 실시간 모니터링.
- 성장률 데이터에서 파생된 정량적 적합성 값.
- 미생물 변이체 간의 성능 차이 식별.
결론
- eVOLVER 시스템은 실험 제어 및 유연성을 향상시킵니다.
- 실시간 데이터를 통해 실험에 즉각적인 개입이 가능합니다.
- 실험 결과를 바탕으로 새로운 균주를 엔지니어링할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
The eVOLVER platform enables high-throughput, automated continuous culture with real-time monitoring of optical density and temperature, supporting scalable fitness landscape mapping for strain engineering and selection studies. Its open-source software and modular hardware allow rapid reconfiguration for multiparameter experimental designs, reducing manual intervention and increasing reproducibility in microbial strain characterization. This positions eVOLVER as a reusable discovery tool for de-risking target validation and lead identification in antimicrobial, metabolic, and synthetic biology programs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables quantitative fitness profiling of mutant libraries under defined selection pressures to interrogate gene function and pathway essentiality.
- Operational Value: Automates continuous culture with feedback control, reducing manual sampling and enabling long-term, unattended experiments.
- Scientific Value: Supports mechanistic de-risking by linking genotype to fitness under controlled environmental conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative growth rate and fitness metrics from real-time OD and temperature data for comparative strain analysis.
- Operational Value: Standardizes culture conditions across hundreds of parallel vessels via programmable fluidic and sensor arrays.
- Scientific Value: Facilitates assay readiness by providing reproducible, dynamically controlled environments for library selection and evolution experiments.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables longitudinal tracking of genomic adaptations in evolving populations, informing strain engineering for therapeutic production.
- Operational Value: Supports scalable preparation of evolved strains for downstream phenotypic validation in disease-relevant models.
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in strain performance by measuring competitive fitness across environmental gradients.
Pipeline & Workflow Integration
eVOLVER integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven fitness screening, assay development for evolution-based selection, and translational strain optimization prior to preclinical validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing through precise environmental control and quantitative fitness readouts across genetic variants.
- Screening: Enables high-throughput, reproducible growth selection assays with real-time monitoring and automated feedback.
- Analytics: Provides real-time OD, temperature, and derived fitness metrics for longitudinal comparison of culture conditions.
- Translational Research: Connects discovery-phase evolution to preclinical strain engineering by identifying adaptive mutations under selection.
- Enterprise Reuse: Functions as a reconfigurable platform for multiple campaigns, reducing need for bespoke culture systems per project.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive fitness modeling, target validation via competitive growth, reduction of phenotypic ambiguity.
- Operational Value: Standardization, automation, and scalability of continuous culture across environmental gradients.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions in strain selection, reduced biological risk in development candidates.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of engineered strains based on quantitative fitness landscapes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microbial culture, microfluidics, and Python-based software customization.
- Needs perfusion pumps, temperature control units, smart sleeves, and real-time data monitoring infrastructure.
- Demands cross-team standardization of protocols for media preparation, sterilization, and sampling.
- Requires adaptation of fluidic layouts and sensor configurations for different organism types and selection pressures.
- Limited by clogging risks in fluid lines and the need for regular maintenance to prevent experimental failure.
