来宝网移动站

未来已来，科幻大片中机器人占领地球？也许不是没可能！

2019在北京举行的世界机器人大会让大家一饱眼福，体会到目前基于机器的自动化产业已应用于衣食住行的各个方面，甚至在生物学和生物医药领域中，自动化与高通量的实验方式也正在成为工业级研究的新趋势。

2019世界机器人大会展览[1]

为什么需要自动化高通量？

•提到自动化（Automation），大家首先想到的是机器代替部分人工工作，通过系统控制和完成操作过程：  

生物实验结果往往有不确定性，有些实验难以重复，自动化可以解决源于生物研究者造成的人工误差和错误等，节省工作时间，提升实验效率，有效避免样品的污染，提高实验可重复性；与自动化仪器结合的计算机系统可以进行大量数据的详细记录和存储，让实验问题有迹可循。

•其实自动化不仅仅是代替人工，更要超越人工：  

原本1次/人检测一个样品，通过自动化高通量（High-throughput）设备可以一次同时检测几十甚至几百个样品，同时读取大量数据，实现高通量快速检测和筛选的实验目的。

•另外，自动化应用还可以向微型化高灵敏的方向发展，更小的反应体系仅需少量样本即可进行实验，减少实验样品的消耗。 

在分子生物学中的应用

过去几年，基因编辑技术的广泛应用已将其产业化升级的需求提到了至关重要的高度。先跟我一起回顾下基因编辑大小鼠的构建流程吧：

基因编辑动物构建流程[2]

当然有个完美周到的设计方案是工作开始的前提，那么之后：目的基因测序—sgRNA活性筛选—目的基因合成—载体构建和RNA制备—质粒提取—显微注射—阳性小鼠出生—PCR鉴定、southern blot鉴定；自动化仪器设备的发展使分子生物学部分中样本的处理、提取和检测等各个环节逐步由人工劳动力向自动化高通量转变，大大提高技术精度和工作效率。

来，让我们举个栗子

1）液体处理

曾记学生时代在手持移液器时进行批量操作时，手已累残枪头没装紧移液只有一半，刚加过的孔瞬间忘记加到了哪里，这个孔我刚加过了吗？

工业生产，为客户提供服务，这种状况可不允许发生。在分子生物学工作站引入Beckman自动化移液系统，可以精准的完成96孔板的位置定位，高精度的加样，灵活的八通道头可以独立控制[3]，具有很大限度的灵活性，也避免了人员操作可能带来的样品污染。能够完成移液、梯度稀释、分液及合并液体等液体处理工作。在基因编辑小鼠制备的质粒提取、基因组DNA纯化和PCR体系设置阶段均可以应用。

百奥赛图基因编辑平台自动移液工作站

2）样品合成

  从1970年首例人工基因合成到现在，DNA合成在当代已经不是什么难事了，而合成的快、准、很~~~多才是发展趋势，化学法合成的通量比较低，合成长度也有限，微阵列介导的DNA高通量合成技术逐渐兴起， Twist Bioscience独特的基于半导体硅芯片的DNA合成技术能够高通量、低成本的合成DNA，产量较普通PCR合成更高，且无需再次扩增，合成长度可达1.8kb，合成量100-1000μg[4]。这一高通量技术的应用可大大提升DNA合成的通量和效率。

硅芯片DNA合成平台与传统96孔板DNA合成对比[4]

3）样品处理

常规质粒提取和纯化为碱裂解法，但面临菌液多，裂解不充分，质粒提取量较低的问题[5] 。全自动核酸提取仪以经典的磁珠分离技术完成核酸自动化提取，快速完成磁珠和废液的分离，省去必需的离心和过滤的操作，可高通量处理样品，提高核酸提取的一致性。全自动核酸提取仪发展趋势是与PCR反应相结合，从提取分离纯化到扩增直接完成。

4）样品检测和筛选

作为基因编辑小鼠每年>1500个课题生产量的服务公司，鼠尾PCR 鉴定的数量可以说是相当庞大的，绕地球几圈当然我还没算过，不过我知道自动化PCR扩增仪可少不了，这个恐怕也是大家接触zui多也应用zui多的自动化设备了。

PCR反应过程需要变换至少三个温度，高温变性，低温退火，中温延伸。三个温度的变化速度平稳，耗时少，通量高越来越成为自动化发展的方向。第一代PCR扩增仪使用机械手臂将样品在三个恒定温度水浴箱中切换，不需升降温，时间短，但是样品移动过程在空气中易被污染，水温温度不易保持稳定。第二代自动化控制定性PCR扩增仪利用变温金属块作为恒温装置，通过半导体加热或者冷却，温度变换平稳，酶活性高，耗时较长[6]。第三代实时定量PCR仪加入荧光物质，可检测PCR进程信号变化，快速定量完成PCR扩增[7]。

百奥赛图自动化PCR扩增仪工作站

生物领域研究过程可以用到的自动化和高通量设备数不胜数，这里就不一一介绍了，定制化整合集成的自动化设备是将来的发展趋势，不要惊讶于科幻大片的场景，可能某一天实验室里、生产车间里看到瓶瓶罐罐井然有序的自己工作着 已然是常态了。

参考资料：

[1]https://www.worldrobotconference.com/html/bolanhui/canzhanshang/bolanhuixinwen/2019/0822/866.html

[2]Shao, Y., Guan, Y., Wang, L., Qiu, Z., Liu, M., Chen, Y., … Li, D. (2014). CRISPR/Cas-mediated genome editing in the rat via direct injection of one-cell embryos. Nature Protocols, 9(10), 2493–2512.

[3]http : // www. beckmancoulter . cn / ls-discovery / automation / liquid - handlers / biomek - 4000 . html

[4]https://www.twistbioscience.com

[5]Tan, S. C., & Yiap, B. C. (2009). DNA, RNA, and Protein Extraction: The Past and The Present. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2009, 1–10.

[6]http://www.gbw114.com/news/n4650.html

[7]VanGuilder, H. D., Vrana, K. E., & Freeman, W. M. (2008). Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. BioTechniques, 44(5), 619–626.
 

扫码关注百奥赛图了解更多咨询哦