如何利用BASIC和Opentrons OT-2構(gòu)建了一個(gè)用于合成生物學(xué)的準(zhǔn)確、高性價(jià)比、自動(dòng)化的DNA組裝平臺(tái)。

為了更深入、更快速地探索生物學(xué)，科學(xué)家們需要簡(jiǎn)單有效的方法來構(gòu)建 DNA 結(jié)構(gòu)。

“為了更有效地開發(fā)新的生物系統(tǒng)，我們正在嘗試將工程方法應(yīng)用于生物學(xué)?！?a >帝國理工學(xué)院合成生物學(xué)中心的聯(lián)合主任 Geoff Baldwin 說：“從過往的經(jīng)驗(yàn)來看，制造新的 DNA 結(jié)構(gòu)是個(gè)漫長(zhǎng)的過程，通常需要兩到三個(gè)月的時(shí)間——而且中途有可能失敗。” 于是 Baldwin 和他的同事 Marko Storch 以及倫敦生物鑄造廠自動(dòng)化主管博士后研究員 Matt Haines 一起開發(fā)一款可以更輕松、更快速構(gòu)建DNA的工具。

（從左到右）Matt Haines和Geoff Baldwin在他們的實(shí)驗(yàn)室里，與OT-2液體處理實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人在一起。圖片來源：帝國理工學(xué)院

我們已經(jīng)做出了一些工具上的改進(jìn)?！敖裉欤覀冇懈玫墓ぞ?，”Baldwin說，“就像你建造宜家家具的方式一樣，你可以用標(biāo)準(zhǔn)零件建造一個(gè)生物系統(tǒng)，這是一種更有效的方式。”

“就像你建造宜家家具的方式一樣，你可以用標(biāo)準(zhǔn)零件建造一個(gè)生物系統(tǒng)，這是一種更有效的方式?！?/p>

進(jìn)入基礎(chǔ)知識(shí)
在開啟自動(dòng)化項(xiàng)目之前，Storch、Baldwin 和其他同事開發(fā)了 BASIC，主要用于冪等克隆的生物部件組裝標(biāo)準(zhǔn)化。在某種程度上，BASIC 促使研究人員以新的方式思考構(gòu)建 DNA 結(jié)構(gòu)。“它提供了出色的可操作性，”Baldwin說：“一旦你接受了標(biāo)準(zhǔn)化方法，就會(huì)有大程度的思考自由，你不再需要考慮單個(gè)序列、重疊、PCR 等的細(xì)節(jié)?！?/p>

在某種程度上，BASIC 促使研究人員以新的方式思考構(gòu)建DNA構(gòu)建體?！八峁┝藰O好的可操作性，”Baldwin說。“一旦你接受了標(biāo)準(zhǔn)化的方法，就會(huì)有更大的自考自由度——你不再需要考慮單個(gè)序列、重疊、PCR等的細(xì)節(jié)?！?/p>

因此，通過 BASIC，科學(xué)家們將注意力從如何構(gòu)建 DNA 轉(zhuǎn)移到了思考系統(tǒng)的行為上。此外，BASIC 產(chǎn)生的DNA 構(gòu)建非常準(zhǔn)確?！澳阌行判?，合成的 DNA就是你想要的，”Baldwin說道。

通過 BASIC，科學(xué)家們將注意力從如何構(gòu)建 DNA 轉(zhuǎn)移到了思考系統(tǒng)的行為上，同時(shí)生成非常準(zhǔn)確的DNA構(gòu)建。

除了提高準(zhǔn)確性外，BASIC 還簡(jiǎn)化了構(gòu)建 DNA 的過程。“它提供了更簡(jiǎn)單的方法來實(shí)現(xiàn) DNA 構(gòu)建，”Storch說?！澳愕玫降氖情_箱即用的零件和連接器，而且不需要進(jìn)行故障排除?！比缓?，科學(xué)家只需要知道如何將部分-連接器-部分-連接器等進(jìn)行組合來構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)。

Baldwin 將其與計(jì)算機(jī)的進(jìn)化進(jìn)行比較。幾十年前，構(gòu)建計(jì)算機(jī)的人需要了解晶體管和邏輯門?！叭缃?，您不必?fù)?dān)心計(jì)算的物理原理，因?yàn)槟梢灾苯訌暮凶永锬贸鼋M件，”他說?！巴瑯樱珺ASIC 讓用戶能夠享受與DNA 類似的抽象層次。”

不過，想要充分利用 BASIC，還需要實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化。

添加 Opentrons
“當(dāng) Opentrons 推出OT-2時(shí)，Opentrons的開源理念確實(shí)與我們對(duì)基于鏈接器的 DNA 組裝項(xiàng)目的看法不謀而合，”Storch 說：“磁性模塊和溫控模塊提供了我們需要的功能。”

因此，開源 BASIC 技術(shù)（可在 GitHub 上免費(fèi)獲得）非常適合在開源的自動(dòng)化移液機(jī)器人OT-2上使用?！拔覀兿嘈艑?shí)驗(yàn)的價(jià)值應(yīng)該體現(xiàn)在你建造的東西上，而不是你建造它的方式上”Baldwin說。這催生了能夠運(yùn)行 BASIC 的 OT-2——DNA-BOT。

（從左至右）Matt Haines和Geoff Baldwin正在思考他們的DNA-Bot。圖片來源：帝國理工學(xué)院

當(dāng)被問及運(yùn)行 DNA-BOT 的優(yōu)勢(shì)時(shí)，Haines 說，“首先是性價(jià)比?！?然后，他還強(qiáng)調(diào)了該方法的效率和準(zhǔn)確性?！拔覀?cè)诿總€(gè)案例中都獲得了 88 個(gè)組件的構(gòu)造，再高效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高精度，”他說：“這是非標(biāo)準(zhǔn)化的方式難以實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

在帝國理工學(xué)院合成生物學(xué)中心，Baldwin 和他的同事建立了一個(gè)由六個(gè) DNA-BOT 組成的實(shí)驗(yàn)室?！拔覀冋趪L試看看碩士生是否可以使用這個(gè)平臺(tái)構(gòu)建結(jié)構(gòu)，”Storch 說。

研究生正在設(shè)置帝國理工學(xué)院生物鑄造廠。圖片來源：倫敦帝國學(xué)院

無論這些學(xué)生的試驗(yàn)結(jié)果如何，Baldwin 的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)知道 DNA-BOT 改變了游戲規(guī)則?！拔覀兛梢蕴剿鞯脑O(shè)計(jì)空間是數(shù)百個(gè)，甚至數(shù)千個(gè)DNA結(jié)構(gòu)，”Baldwin 說，“而且它可以迅速增加到數(shù)萬個(gè)?！?/p>

正如 Haines 所強(qiáng)調(diào)的，“還有很多可探索的變異性。”

增強(qiáng)應(yīng)用
Baldwin 的團(tuán)隊(duì)看到了更多的工作要做。他們已經(jīng)看到 DNA-BOT 在各種應(yīng)用中發(fā)揮作用，包括研究現(xiàn)有的生物合成途徑和創(chuàng)建新的途徑來構(gòu)建難以制造的化合物。

該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開發(fā)和調(diào)整 DNA-BOT，并計(jì)劃整合 Opentrons Thermocycler。 “我們想建立一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，”Baldwin 說?！皠?chuàng)建一個(gè) DNA 零件和流程，將增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員的能力。”當(dāng)價(jià)格實(shí)惠、易于使用和高效的自動(dòng)化與先進(jìn)的合成生物學(xué)工具箱相結(jié)合時(shí)，構(gòu)建 DNA 結(jié)構(gòu)的整個(gè)行業(yè)將發(fā)生變化，幾乎任何人都可以探索它。

參考資料：

1. Storch, M., Haines, M.C., Baldwin, G.S. 2019. DNA-BOT: 合成生物學(xué)中低成本、自動(dòng)化的DNA組裝平臺(tái)。bioRxiv. doi:?http://dx.doi.org/10.1101/832139.
2. Storch, M., Casini, A., Mackrow, B., et al. 2015. BASIC: 用于合成生物學(xué)的同態(tài)克隆的新的生物部件組裝標(biāo)準(zhǔn)，為合成生物學(xué)提供準(zhǔn)確、單層DNA組裝， ACS Synth. Biol. 4:781–787.