合成生物学之细胞培养和蛋白表达分析解决方案

近年来，人工智能技术对蛋白质结构预测与功能设计领域产生了颠覆性的影响。合成生物学家开始突破天然氨基酸的限制，将高阶的化学变化引入到蛋白质的设计空间中。

合成生命体往往具有高度复杂性，这决定了其需要海量的工程化试错性实验，即需要快速、低成本、多循环地完成“设计—构建—测试—学习”这一闭环。丹纳赫生命科学拥有一系列的细胞培养和蛋白表达分析解决方案，为扩展人类设计、合成生物大分子元件的能力提供支撑。

图1 自动化高通量合成生物学工作流程（细胞培养、蛋白表达）

细胞培养与蛋白表达

阳性克隆接种

Qpix微生物克隆筛选系统，根据荧光信号对克隆进行有目的的、定量性的筛选，然后完成阳性克隆的复制及重排。

震荡培养

阳性单克隆菌落被转移到装有1.5-1.7ml LB+Carb100培养基的96孔深孔培养板中进行放大（37℃条件下震荡培养）。

QC-OD值检测

转移培养菌液至酶标板中读数菌液浓度。

诱导表达

转接菌液连续培养，加入诱导剂诱导表达，通过微流控高通量微型生物反应器，检测蛋白表达量，获取高表达菌种（菌种筛选），完成培养基优化。

离心富集

高速离心分离菌体和发酵上清。

裂解菌体

自动化工作站96通道加样器，将重悬菌体中加入裂解液即可。

定量

自动化工作站Span8灵活8通道加样器分装检测试剂，96通道加样器加入菌液上清，振荡恒温孵育反应，转移至酶标板检测菌液浓度OD600和GFP蛋白表达量。

ELISA/酶反应

自动化工作站整合酶标仪，检测和定量抗体、蛋白质、激素或肽，以及表征蛋白质-蛋白质和蛋白质-核酸相互作用。

质谱检测

蛋白组靶向（定量）和非靶向（定性）检测。

图2 合成生物学测试工具-自动化整合系统

微流控高通量微型生物反应器

合成生物学整体解决方案中，微流控高通量微型生物反应器的功能包含：震荡培养、OD值检测、诱导表达。同时，还可以完成微生物培养工艺优化。

BioLector Pro通过将已有的高通量微型反应控制技术与创新的微流控芯片技术相结合，从而可实现补料分批发酵功能。该功能采用32位可补料微孔板配合非侵入式光学传感器进行操作。BioLector Pro采用一次性48位微孔板和32位补料微孔板，具有平行培养实时动态监测生物量、荧光、酸碱度 (pH) 和溶氧值(DO) 数据的功能，同时还能通过微阀和微流控通道控制 pH 和补料速率。这款微流控板非常独特，能实现在32位补料微孔板上的持续补料和 pH控制, 无需安装管道和液体处理设备, 并已预先经过伽马射线灭菌。

图3 微生物生长所需的最佳浓度

自动化工作站

合成生物学具有实验量大、通量高、周期长等特点，对实验室的设备、实验人员及数据跟踪系统，都提出了很高的要求。Biomek i7 自动化工作站旨在优化工作流程并增加中高通量实验室的操作效率。可以将液体处理工作站转变为工作流自动化解决方案，从单个酶标仪整合到一个完整的多设备自动化系统。针对整合液体处理系统，我们提供质量控制的产品开发流程，包括深入的工作流程分析，优化工作流程，并满足合成生物学整体解决方案的需求、挑战和目标。目前已成功整合超 300 个第三方设备，这些设备来自 60 多家制造商的不同实验室环境。

图4 自动化工作站的应用场景

多功能检测平台

SpectraMax i3x多功能酶标仪是构建完整的合成生物学实验室解决方案的基石。它内置高能LED和高能氙灯双光路系统，大大扩展合成生物学的研究领域。标配有行业领先的数据采集和分析软件SoftMax®Pro 7，针对主流各种试剂检测进行了相应的优化。除了具有全波长光吸收、全波长荧光、全波长化学发光检测功能以外，还兼容了模块化升级功能，用户可以根据需要随意升级至 Western Blot、细胞成像和带有注射器模式下的快速动力学检测等。

图5 含有质粒 pMV 158 - GFP 的粪肠球菌菌株OG1RF，连续18个小时动力学监测细菌的生长情况及荧光蛋白表达情况

SCIEX Triple QuadTM & QTRAP ® 系统

SCIEX 质谱产品包括三重四级杆质谱、离子阱质谱、高分辨质谱等，适用于合成生物学研究领域。使用已建立的方法来分析合成生物学不同阶段产物的含量及变化趋势，从而验证研究人员前期的设计和构建结果（基因组装和分子克隆）。

SCIEX LC-MS/MS 系统拥有多项专利技术，利用全新设计的高能检测器，提升液质联用定量分析的灵敏度、准确性。无论分析的化合物质量高低，极性正负，均能体验到这些显著优势。只需一次进样，就能得到可靠的分析数据。

SCIEX LC-MS\MS在合成代谢网络研究的应用

Step1：预测不同辅酶a的MRM list：

根据文献的裂解规律和实际采集的标准品的MSMS，建立MRMlist，将辅酶a结构上的特征转化为质谱中的特定的质荷比离子信号；基于已有的辅酶a的质谱检测方法，预测一类的辅酶a的结构。

图6 辅酶a分子结构特征，断裂位点，MRMlist

Step2：建立QTRAP 独有的MRM-IDA-EPI方法，发现并鉴定辅酶a

已获取的MRMlist和QTRAP获得的EPI的数据，通过对比二级图谱，完成化合物定性分析。

图7 色谱&质谱条件

a

b

c

图8 乙酰辅酶a MSMS

合成生物学领域的核心科学问题是设计与合成可预测的生命体。丹纳赫生命科学合成生物学整体解决方案可以为海量的工程化试错提供关键科学手段，推动我国生命科学技术能力实现从认识生命表象到掌握复杂生命本质、从定性描述向定量预测、从单一维度向多维度生物功能检测、从单一层次向多层次生物仪器开发、从基础研究向医学转化应用的战略转变。

至今为止，美国政府已支持设立 3 个大型合成生物学研究中心，英国政府已经资助 6 个大型合成生物学研究中心。德国、荷兰、日本、新加坡、澳大利亚等国也在紧密跟进。在各大研究中心与学术机构中，一般都搭建有生物铸造厂作为核心。这些合成生物学自动化设施平台既用于加速学术研究，也用于推动产业发展（表1）①。

表1 全球学术机构的知名合成生物学自动化设施平台

参考文献：

1、Clarke L J, Kitney R I. Synthetic biology in the UK - An outline of plans and progress. Synthetic and Systems Biotechnology, 2016, 1(4): 243-257.

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