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

為了更深入、更快速地探索生物學(xué)，科學(xué)家們需要簡單有效的方法來構(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)是個漫長的過程，通常需要兩到三個月的時間——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)。“今天，我們有更好的工具，”Baldwin說，“就像你建造宜家家具的方式一樣，你可以用標(biāo)準(zhǔn)零件建造一個生物系統(tǒng)，這是一種更有效的方式?！?/p>

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

進(jìn)入基礎(chǔ)知識
在開啟自動化項(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，就會有大程度的思考自由，你不再需要考慮單個序列、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?！耙坏┠憬邮芰藰?biāo)準(zhǔn)化的方法，就會有更大的自考自由度——你不再需要考慮單個序列、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，同時生成非常準(zhǔn)確的DNA構(gòu)建。

除了提高準(zhǔn)確性外，BASIC 還簡化了構(gòu)建 DNA 的過程?！八峁┝烁唵蔚姆椒▉韺?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)建一個結(jié)構(gòu)。

Baldwin 將其與計算機(jī)的進(jìn)化進(jìn)行比較。幾十年前，構(gòu)建計算機(jī)的人需要了解晶體管和邏輯門。“如今，您不必?fù)?dān)心計算的物理原理，因?yàn)槟梢灾苯訌暮凶永锬贸鼋M件，”他說。“同樣，BASIC 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)室自動化。

添加 Opentrons
“當(dāng) Opentrons 推出OT-2時，Opentrons的開源理念確實(shí)與我們對基于鏈接器的 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?！?/p>

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化移液機(jī)器人OT-2上使用。“我們相信實(shí)驗(yàn)的價值應(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)勢時，Haines 說，“首先是性價比。” 然后，他還強(qiáng)調(diào)了該方法的效率和準(zhǔn)確性?！拔覀冊诿總€案例中都獲得了 88 個組件的構(gòu)造，再高效的同時實(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。”

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由六個 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平臺構(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)隊已經(jīng)知道 DNA-BOT 改變了游戲規(guī)則。“我們可以探索的設(shè)計空間是數(shù)百個，甚至數(shù)千個DNA結(jié)構(gòu)，”Baldwin 說，“而且它可以迅速增加到數(shù)萬個。”

正如 Haines 所強(qiáng)調(diào)的，“還有很多可探索的變異性?！?/p>

增強(qiáng)應(yīng)用
Baldwin 的團(tuán)隊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)隊將繼續(xù)開發(fā)和調(diào)整 DNA-BOT，并計劃整合 Opentrons Thermocycler。 “我們想建立一個生態(tài)系統(tǒng)，”Baldwin 說?！皠?chuàng)建一個 DNA 零件和流程，將增強(qiáng)團(tuán)隊成員的能力。”當(dāng)價格實(shí)惠、易于使用和高效的自動化與先進(jìn)的合成生物學(xué)工具箱相結(jié)合時，構(gòu)建 DNA 結(jié)構(gòu)的整個行業(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、自動化的DNA組裝平臺。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.