德国的一个实验室正在使用机器人来推进计算机辅助合成生物学

自从艾萨克·阿西莫夫的我,机器人在20世纪40年代出版的一系列科幻小说中，流行文化一直对机器人着迷。我们把他们的潜力浪漫化，害怕他们的起义，被他们的真空表兄弟绊倒。

现在，机器人正在进入生物学领域，有望比任何科学家都更快(更可靠)地进行实验。它们被用来同时生长和监测数百个工程生物，精确地混合数十亿条DNA链，甚至自动从培养皿中转化或挑选菌落。没有人喜欢冗长的克隆DNA的工作;现在整个管道都可以在线控制。

对新陈代谢工程师来说，自动化实验尤其有益。新陈代谢工程师是指重新布线生物体的新陈代谢，利用独特的食物来源或从工程生物体中生产有价值的分子的科学家。

“在生物学上，我们仍然有很多东西需要从实验中学习。预测需要通过实验来验证，然后不断修正，这需要大量的试验和错误约翰内斯Kabisch来自Technische Universität Darmstadt。

卡比施的团队，专注于代谢工程枯草芽孢杆菌和Yarrowia lipolytica在他们的代谢工程项目中完全采用了机器人平台。

“我小组的目标是开发可再生的、以碳氢化合物为基础的生物经济的微生物细胞工厂。我们正在努力寻找生物替代品，以替代目前从化石燃料中提取的物质。”卡比什解释道。他的团队已经发展起来了调节基因复制数量的新工具在枯草芽孢杆菌并已从甘油中生产碳氢化合物在y lipolytica．

计算机基因机器人平台(Dr. Sudo)，一个用于快速工程和测试生物体的自动化实验系统。图片由Johannes Kabisch提供。

对于卡比施来说，快速原型化代谢设计(并引入一个真正以碳氢化合物为基础的经济)的唯一方法是建立一个最先进的机器人系统，实验室称之为Sudo博士xkcd漫画）.一旦构建，它可以构建数千种独特的DNA结构，将它们转化为细胞，并测量结果，几乎不需要人工干预。卡比施的实验进入了超速状态。

一个机器人，一个任务

为了更快地获取大量可靠数据并探索代谢设计，卡比施转向了德国耶拿分析仪器公司建立一个模块化的机器人平台。他们采用了“一个机器人，一个任务”的方法，每台机器执行实验的一部分，然后将样本传递给流水线中的下一台机器。

“当我们设计这个Analytik Jena平台时，我们的目标是在设计时牢记Unix原则:一个工具，一个任务。我们不想设计一个什么都能做的平台，所以我们的系统只做两项任务——一个系统自动克隆，这使我们能够构建足够多样的电路，另一个系统使用流式细胞术和微孔板读取器来测量这些电路。”

虽然克隆这类事情表面上看起来是一个相对琐碎的过程，但它需要大量的专业设备，包括PCR热循环仪、液体处理机器人和培养箱。卡比施对他实验室里的每一件设备都了如指掌。

“我们有一个CyBio费利克斯8通道移液器，可进行分选和单个井移液。我们还有一个96孔的CyBio FeliX，我们用它来进行测量或一次性诱导96或384个位置的细胞，”Kabisch解释说。“我们还有一个纳米升分配器，叫做Dispendix点积，它负责纳米升分配。这对DNA工作尤其有用，因为我们想要使用尽可能少的DNA。创造具有特定序列的DNA需要大量的工作。你需要培养细胞，分离DNA，等等。在很大程度上，这需要大量的努力，也是错误的来源。”

Kabisch实验室有一个序列验证的零件库，他们可以以独特的组合来构建几乎任何想要的序列。移液机器人在这一过程中发挥了巨大的作用，仔细地控制反应中使用的DNA浓度。一旦DNA部件和试剂被添加到平板上，一个机械手臂将它们传递到热循环器Biometra TRobot，可以执行连接酶循环反应这是一种从DNA片段中组装质粒的有效方法。

这些机器使数百个DNA设备、电路或多基因路径能够在几小时内组装好，几乎不需要人类的互动。

但创造出所需的DNA序列仅仅是个开始。然后，DNA必须转化为细胞，并测量它们的效果。

幸运的是，Kabisch有一个解决方案。另一套机器完成了克隆流水线，将DNA转化为细胞，并将它们放入平板培养箱中。在培养细胞后，将它们采摘并测量。

“这个平台还有一个用于测量单个细胞的细胞仪，以及一个超快版阅读器它可以对一次有多达3456个孔的板进行荧光和化学发光测量，”Kabisch说。

Kabisch实验室使用的机器，其中许多是Analytik Jena实验室自动化产品线的一部分。图片由Johannes Kabisch提供。

建立一个自动化的系统来克隆、转化和测量活细胞，即使是一个单一的实验也是一个不小的壮举。但是如果同时进行数千个实验呢?即使在机器人的帮助下，物流也会很快变得势不可挡。这就是为什么控制实验室自动化平台的软件是如此重要。

“控制Sudo博士并连接所有单个机器的软件被称为作曲家”,Kabisch说。Analytik Jena的合成生物学顾问与他的实验室联系，建议并支持工作流程的最佳设计和最流畅的编程，“所以我们有准备好的脚本来移动东西和启动硬件，”他解释说。

但Sudo博士不仅是一个自动化的实验平台:它还在学习如何自动化实验设计本身。

“目前，这个平台实际上可以从实验中学习，并自动检测各种介质中的最佳诱导条件。所以基本上，你用大量的诱导剂开始这个过程，平台测量对诱导剂浓度的第一个反应，然后自动开始下一个实验。通过简单的网格搜索，找到了最优诱导浓度。这可能是手工完成的，但当你放大培养基和菌株的变量，并观察单细胞水平，这很快就变得很难手工完成，”Kabisch说。

虽然拥有一个实验室自动化系统是件好事，但实验的执行速度很快就会成为实验中的一个递减因素。然后，速率限制因素变成:

我们应该如何处理这些数据?

机器人帮助建立预测性生物模型

Sudo博士一边忙活着，一边用流式细胞仪对细胞进行扫描，炮制出成千上万的DNA结构，并炮制出大量数据。与此同时，实验室里的科学家们正忙着解读这些数据。他们想利用大量的实验结果来更好地预测生物学——这是一个雄心勃勃的项目CompuGene．

“CompuGene的目标是为分子电路创建预测模型……目前，如果我想做代谢工程，我想让合成途径中的基因有一定的表达水平或逻辑，这个过程完全是反复试验，”卡比施解释说。“CompuGene想要尝试建立这方面的预测模型。”

由Beatrix Süß和Heinz Koeppl领导的CompuGene是一个拥有十几个成员的财团。团队已经一起使用像Sudo博士这样的机器人来创造严格控制的，酵母中基于crispr的逻辑门这个行为可以预见在活的有机体内．但他们的雄心并未就此止步。

“我们已经建立了各种各样的新部件，比如基于rna的开关和适配子，以及基于dcas的开关，但所有这些都是在跨学科的背景下完成的，”卡比施说，他积极地从不同学科招募学生来他的实验室工作。

“我们有一个办公室，叫做建模实验室，来自物理、计算机科学、数学、化学、生物和电子工程的学生都可以共享，”卡比什说。“生物学专业的学生帮助物理学家改进模型，因为他们知道哪些参数是可以测量的。CompuGene和这些跨学科交互的目标是创造新的部件、新的开关和设备，同时也推进自动化。这样，我们就可以产生新的模型和新的知识。”

尽管CompuGene联盟的发展速度很快，但他们仍然承认，其他旨在进行类似研究的团队面临着准入障碍。机器人并不便宜。幸运的是，像Kabisch这样的组织致力于通过开发低成本的、自己动手的替代方案来降低机器人进入的障碍。

“大多数人将无法获得一个机器人平台，所以我们正在做一些事情，”卡比什说。“例如，我们没有足够的钱购买殖民地采摘器，所以我们开发了一个开源的，低成本的殖民地采摘器，由3D打印机构建。这样，你可以花大约300欧元买到一个殖民地采摘者。当然，它不像高端机器，但成本也低得多。”

通过在多个领域推进计算机辅助合成生物学的概念，从自动化到模型构建和3d打印解决方案，Kabisch的目标是在工程生物学中产生真正的影响，并在工业规模上实现他的发现。

然而，问题仍然存在——机器人真的是一个补充的实验手臂，来支持我们最大胆的科学问题吗?Kabisch这么认为。

他说:“我们真的想要制造更好的工艺来捕获碳废物来生产生物燃料。化石工业迫切需要从大气中捕获和转换碳的新解决方案……机器人技术有助于探索这些复杂的代谢工程实验的潜在解决方案。”

带上机器人。

了解更多关于新兴技术平台的信息，以及它们如何推动你的工作向前发展vwin彩票注册SynBioBeta 2019, 10月1日至3日，旧金山。

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