合成生物学の自動化
分子クローニングプロセスを改善する5つのヒント

世界的な最大の関心事のひとつは、資源の過剰使用と、それが環境に与える紛れもない影響である。特に製造工程では、石油やガスなどの化石燃料に由来する膨大な量のエネルギーを必要とするが、これらの燃料は入手可能量が減少し、価格も上昇しているため、持続不可能なものとなっている。微生物の機能をエンジニアリングすることで、研究者たちは製造過程で消費する資源を大幅に削減した食品、繊維、バイオ医薬品を生み出すことに成功している。バーガーキングで売られているインポッシブル・バーガーを食べたことがある人は、エンジニアリング食品を一口食べたことになる。あの独特の肉の味は、合成生物学に不可欠な分子クローニングの産物である。適切な特徴（味やテクスチャーなど）を実現するために、メーカーはタンパク質を大量生産する微生物株を分離し、DNA断片を導入する。

例えばインポッシブル・バーガーの）あの独特の肉の味は、合成生物学に不可欠な分子クローニングの産物である。

今日、様々な産業で合成生物学的手法の恩恵が勢いを増しています。再工学された生物学に由来する合成製品の需要が高まるにつれ、ハイスループットな微生物株エンジニアリングや分子クローニングのための迅速で正確な方法が必要になってきました。しかし残念ながら、手作業による合成生物学のワークフローは、依然として労力がかかり、時間がかかり、人為的ミスが起こりやすい。

この記事では、合成生物学ワークフローにおける一般的なボトルネックと、自動化によってこれらの課題を克服し、スループットとウォークアウェイタイムを向上させる方法についてまとめています。

1. 手動ピッキングからハイスループット コロニーピッキング装置による自動ピッキングへ

目的の遺伝子を増幅し、ベクターに組み入れ、微生物に形質転換した後、サイズから蛍光強度まで、いくつかの特徴についてコロニーをスクリーニングする必要がある。ピペットチップ、つまようじ、あるいは接種ループを用いて手作業でこれを行うと、特にハイスループットを目標としている場合には、不均一なストリーキングを引き起こす可能性がある。これはコロニーのさらなる解析の妨げとなる。

自動コロニーピッキング装置があれば、手作業によるピッキングの手間を省くことができる。例えば、QPix微生物コロニーピッカーは、コロニーを迅速にピッキングし、培地を入れたディープウェルブロックに接種するのに便利なツールです。コロニーピッキングの自動化に初めて挑戦する場合は、QPix 420システムのようなエントリーレベルのコロニーピッカーを選ぶとよいでしょう。このシステムは、最大12、96ウェルプレートを自動でピッキングできる迅速なセットアップ機能を備えています。これは、1時間当たり最大3000コロニーのスクリーニングに相当する。最小限の介入で済むため、人為的ミスやクロスコンタミネーションのリスクを減らすと同時に、チームにマルチタスクのための余分なウォークアウェイ時間を提供します。

2. 完全自動型分子クローニングワークフローのためのラボ機器の統合

手作業によるピペッティングは、小規模なアプリケーションで液体を移送する際には実用的ですが、数百のサンプルを処理するには非現実的です。その代わりに、自動ピペッティングを分子クローニングワークフローに組み込んでDNAプレパレーションを行い、オンデッキサーモサイクラーを使ってDNAプラスミドで微生物のヒートショック形質転換を行うことができる。

ロボットアーム統合は、標準およびディープウェルSBSフットプリントプレートなどの標準マイクロタイタープレートフォーマットを受け入れる複数のインストゥルメンテーションを、筋肉を動かすことなく自動化するための最も一般的な方法です。さらに重要なことは、ロボットの自動化を調整することで、有利な形質を持つコロニーをスクリーニングし、ピッキングすることができ、当社のマルチアッセイプレートリーダーを使用して検証できるヒットコロニーの単離を加速することができる。

ロボットアームを実験デザインに統合する前に、それがISO 15066に準拠していることを確認する必要があります。

3. クロスコンタミネーションの低減

クロスコンタミネーションは重大なリスク要因であり、無菌ループ、蓋の落下、 プレートが蓋をされていない時間が長すぎるなど、何度か発生する可能性があ る。これは結果を無効にし、再現性に悪影響を及ぼす可能性があります。つまり、他の研究室や以前のクローニングラウンドの結果と比較できないことを意味します。

分子クローニングの過程でクロスコンタミネーションを避けるには、細心の衛生管理が必要である。ループに炎をつけたり、使い捨てループを使うこともできるが、どちらもハイスループットのストリーキングには実用的な解決策ではない。

滅菌は分子クローニングのもう一つの側面であり、自動化の恩恵を受けることができる。自動コロニーピッカーでは、最小限の人的介入で済む滅菌ツールが組み込まれている。例えば、QPix微生物コロニーピッカーには、ピン間のクロスコンタミネーションを排除する洗浄槽とハロゲン加熱滅菌が組み込まれています。

4. コロニースクリーニングの汎用性

コロニーピッキングワークフローにおけるもう一つの課題は、最高のパフォーマンスを発揮するコロニーを効率的にスクリーニングすることです。ユーザーエクスペリエンスは通常、カスタムパラメーターとマニュアルピッキングの経験に基づいて最適なコロニーを選択するが、これは非常に主観的であることが多い。問題は、多数のコロニーをスクリーニングしなければならない場合に生じる。サンプルの前処理とプレーティングが自動化されていても、コロニーピッカーはコロニー選択の前に、コロニーにどのような特徴を見るべきかを学習する必要がある。

QPix 420システムのような自動コロニーピッカーは、形状、サイズ、近接性、蛍光強度などのパラメータに基づいてコロニーを迅速にゲートできるようにソフトウェアが設計されているので有利です。さらに、蛍光強度、青白スクリーニング、阻止円など、いくつかの選択様式でコロニーをスクリーニングできます。

QPix 420システムは、正確なコロニーセレクションに必要な多様性を誇ります。例えば、ホローネスを補正する設定を調整することで、望ましい発現レベルや特性を示しているにもかかわらず、中央が空洞に見えるコロニーをピッキングすることができます。

QPix 420システムは、4つの異なる蛍光チャンネルでのイメージングが可能であるため、同じ生物において4つの異なる蛍光タグ付きタンパク質の発現をモニタリングできる可能性があります。

自動コロニーピッキングを使用する利点は、マスタープレートを複製できることです。マスタープレートをコロニーピッキング用に保持しながら、新たに作成したサブプレートでクローンを解析することができます。

5. 合成生物学ワークフローにおけるデータ管理

合成生物学のワークフローでは、特に複数のインストゥルメンテーションにまたがってデータを収集する場合、手作業によるデータ収集は煩雑になりがちです。これは、余分な工数、疲労、データ損失の高いリスクを生み出します。

QPix 420システムは、データ収集と保存をサポートします。アクチュエーターヘッドには高解像度カメラとバーコードリーダーが封じ込められ、信頼性の高いデータトレーサビリティを実現します。画像データは、広範な監査証跡とサンプル追跡オプションを備えた内蔵データベースに記録されます。QPixソフトウェアは、バーコード読み取りに基づいて、コロニーに関する情報（ソースプレートとデスティネーションプレート内の位置、ピッキング日時など）を追跡することができます。また、重要なサンプルのタグをカスタマイズしたり、形態学的特徴に基づいてコロニーをグループ化したりするオプションもあります。

自動コロニーピッカーから収集されたデータや、合成生物学ワークセル上の複数の機器から収集されたデータは、お気に入りのラボ情報管理システムに、広く受け入れられているウェルフォーマットで簡単にエクスポートできます。

合成生物学的プロセスの自動化について詳しく知る

合成生物学、特に分子クローニングの自動化は、時間とコストを大幅に節約するだけでなく、結果の精度を高めます。自動化された合成生物学ワークフローの基礎について詳しくお知りになりたい方は、生物製剤フィールドアプリケーションサイエンティスト、ドウェイン・E・カーター博士による最近のウェビナーにご登録ください。このウェビナーでは、自動化に関わるすべてのステップについて、具体的な例とともに図解しています。