Практическое руководство по почти непрерывной эволюции с помощью фагов и робототехники
12 января 2024 г.
Почти непрерывная эволюция с помощью фагов и роботов (PRANCE) — это метод быстрой и устойчивой эволюции белков. Робототехника позволяет распараллеливать эксперименты, осуществлять мониторинг в режиме реального времени и управлять обратной связью.
Мы пытаемся сделать таинственный процесс эволюции достаточно предсказуемым, чтобы его можно было использовать в инженерии. PRANCE дает нам возможность перенести эволюцию в лабораторную временную шкалу с распараллеливанием, чтобы лучше понять ее. Автоматизация лабораторий привносит концепции из более общей разработки программного обеспечения, включая искусственный интеллект, в разработку управляющего кода.
Люди также интегрируют манипуляторы и многонаправленные конвейерные системы в платформы для работы с жидкостями. В целом, автоматизация включает в себя более совершенные контрольно-измерительные приборы и рабочие процессы. Управление с обратной связью повышает успешность непрерывной эволюции, предотвращая распространенные виды сбоев, такие как угасание.
Это важно во время мультиплексных эволюций, где молекулы имеют различную начальную активность, а строгость динамической эволюции имеет решающее значение для достижения желаемых результатов. Новые научные вопросы включают в себя изучение того, как различные условия влияют на эволюцию, а также изучение влияния на распространение фагов и эффективность эволюционных контуров. С помощью этих усовершенствованных инструментов белковой инженерии мы стремимся создавать более сложные белки, чувствительные к окружающей среде и динамичные по своим функциям.
Обзор
Фаговая эволюция с поддержкой робототехники в почти непрерывном режиме (Phage- and Robotics-assisted Near-continuous Evolution, PRANCE) представляет собой новый метод, разработанный для быстрого и надежного направленного конструирования белков. Благодаря использованию робототехники данный метод обеспечивает параллелизацию экспериментов, мониторинг в реальном времени и управление с обратной связью, что повышает предсказуемость эволюционных процессов в лабораторных условиях.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Белковая инженерия
- Эволюционная биология
- Лабораторная автоматизация
Теоретические сведения
- PRANCE интегрирует концепции программной инженерии и ИИ в лабораторные рабочие процессы.
- Автоматизация включает современное оборудование, такое как манипуляторы и конвейерные системы.
- Обратная связь имеет решающее значение для предотвращения вымирания при мультиплексном эволюционировании.
- Динамическая строгость отбора при эволюции необходима для достижения желаемых результатов.
Цель исследования
- Сделать процесс эволюции предсказуемым для инженерных приложений.
- Изучить влияние различных условий на эволюцию и распространение фагов.
- Создать сложные белки, чувствительные к изменениям окружающей среды.
Используемые методы
- Робототехника для параллелизации экспериментов.
- Мониторинг эволюционных процессов в режиме реального времени.
- Механизмы управления с обратной связью для интенсификации непрерывной эволюции.
- Интеграция передовых платформ для работы с жидкостями.
Основные результаты
- Повышение показателей успешности непрерывной эволюции за счет управления с обратной связью.
- Понимание влияния различных условий на эффективность эволюции.
- Разработка белков с динамическими функциями и чувствительностью к окружающей среде.
- Углубленное понимание проблем мультиплексной эволюции.
Выводы
- PRANCE представляет собой значительный прогресс в методах белковой инженерии.
- Автоматизация и управление с обратной связью являются ключевыми факторами успеха эволюционных экспериментов.
- Будущие исследования будут сосредоточены на оптимизации условий для эволюции белков.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Метод почти непрерывной эволюции с помощью фагов и робототехники (PRANCE) обеспечивает быстрое параллельное проектирование белков с обратной связью в реальном времени, решая проблему непредсказуемости эволюционных процессов в исследованиях и разработках. Благодаря интеграции робототехники и управления с обратной связью PRANCE позволяет проводить масштабируемые мультиплексные эксперименты по эволюции, сокращая вероятность ошибок и повышая надежность экспериментов. Данная возможность стратегически важна для ускорения ранних этапов поиска и снижения рисков в портфелях по белковой инженерии.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Обеспечивает систематическое изучение функций белков и путей их эволюции в контролируемых условиях.
- Способствует биологическому снижению рисков, предотвращая потерю вариантов в процессе мультиплексной эволюции.
- Повышает прогностическую уверенность в engineered protein candidates за счет обратной связи в режиме реального времени.
Скрининг и разработка анализа
- Подготовка валидированных систем эволюции с обратной связью для последующих рабочих процессов скрининга.
- Стандартизация условий анализа в сотнях параллельных экспериментов, что повышает воспроизводимость.
- Обеспечение масштабируемой высокопроизводительной оценки вариантов белков для функциональной оптимизации.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет результаты инженерии белков с динамическими, чувствительными к окружающей среде функциями, имеющими значение для моделей заболеваний.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации за счет возможности проведения надежной мультиплексной эволюции.
- Предоставляет данные о механизмах распространения фагов и эффективности эволюционных контуров для трансляционных приложений.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Метод PRANCE находится на пересечении этапов первичного поиска, идентификации ведущих соединений и доклинических исследований, что обеспечивает непрерывное развитие и быструю итерацию белковых кандидатов.
- Поисковая биология: Обеспечивает проверку гипотез и уточнение сигнальных путей за счет проведения контролируемых экспериментов по параллельной эволюции.
- Скрининг: Позволяет получать воспроизводимые количественные данные для надежного сравнения вариантов белков.
- Аналитика: Обеспечивает мониторинг в реальном времени и получение данных обратной связи для корректировки экспериментов и принятия решений.
- Трансляционные исследования: Соединяет этапы поиска и доклинических исследований путем создания белков с динамическими свойствами, имеющими значение для патологии заболеваний.
- Корпоративное повторное использование: Создает масштабируемую, многократно используемую платформу для текущих инициатив в области белковой инженерии.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неопределенность в эволюции белков.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые и масштабируемые рабочие процессы эволюции.
- Стратегическая ценность: позволяет принимать обоснованные решения о продолжении или прекращении работ, а также эффективно распределять капитал при развитии портфеля.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации и продвижению кандидатов в инженерные белки с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области робототехники, работы с жидкостями и систем управления с обратной связью.
- Необходима интеграция планшетных ридеров, насосов, нагревателей и совместимой программной инфраструктуры.
- Требуется межкомандная стандартизация для настройки мультиплексных экспериментов и анализа данных.
- Адаптация под разные белковые мишени и эволюционные схемы может потребовать оптимизации протокола.
- Практические ограничения включают сложность первоначальной настройки оборудования и валидацию готовности системы.
