智能化液体工作站系统及应用

BLA小助手

前言：

现代生物技术、合成生物学和化学生物学研究中，为提高生长速度、增强耐受性、提高产量、改善生物元件性能等，经常需要处理大量样本，对通量、精准度和时效性有很高要求，其中手动液体分装、转移和分发等操作不仅给科研人员带来很大工作负荷，而且容易导致实验误差使得效率低下。
大连化学物理研究所赵宗保研究员团队搭建了以移液工作站为核心的智能化液体工作站系统，整合必要的外围设备，通过软件和人机交互界面协调各个设备运行，实现了高通量菌株转移、培养基分发、产物检测、酶活分析等过程，可用于完成大量耗费人力的工作，提高工作效率和科研数据质量（图1、图2）。

图1 智能化液体工作站系统示意简图

（合成生物学2022, 3, 195）

图2 智能化液体工作站系统应用场景

（合成生物学2022, 3, 195）

赵宗保研究员团队所搭建的智能化液体工作站系统集成了多种先进技术，颇具创新性，对从事合成生物学等领域研究具有积极意义，系统有助于提高实验效率和准确性，降低成本，提高实验室安全性并促进标准化和规范化，同时推动行业的高效发展，在2022镁伽工程奖中，这一项目被授予镁伽科学项目奖。

镁伽工程奖起始于2022年，提名和获奖的行业专家及团队在自动化、智能化应用的相关科技领域有深厚经验与建树。该奖项希望能够发挥企业的孵化与商业化落地能力，寻找更多科研专家前辈，让先进的科学生产工具更快更深刻地影响产学研，以期助力我国生命科学领域工作者持续开拓创新，取得更多独创性和革新性的技术突破，进而推动人类健康和生物经济事业的发展。

智能化液体工作站系统项目组依托2017年成立的能源生物技术平台，隶属于大连化物所生物技术研究部，团队成员有：吕力婷老师、褚亚东老师、王雪颖老师、郭潇佳老师。平台主要设备有高通量细胞培养和活性分析系统、高通量单克隆挑选系统、8-通道平行生物反应系统、流式细胞分选仪、蛋白结晶筛选工作站、蛋白纯化系统、分子间相互作用分析仪、总碳[color=var(--weui-LINK)][url=]总氮[/url]分析仪等，可为能源微生物发现、评价、培养及分子机制研究提供先进的技术支撑，并可助力转化医学、合成生物学和化学生物学等领域科研创新。能源生物技术平台已助力所内外科研团队取得系列创新成果，先后在Advanced Materials、Nature Chemical Biology、Nature Communications、Angewandte Chemie、Journal of Energy Chemistry、[color=var(--weui-LINK)][url=]Metabolic Engineering[/url]等学术刊物发表高质量文章。未来将持续为各科研单位及企业等提供技术服务。

智能化液体工作站系统助力非天然辅酶创制研究

为突破调控胞内天然辅酶的局限，赵宗保研究员研究团队致力于非天然辅酶创制及相关合成生物学研究，借助该工作站系统，团队近年来取得了系列进展。

一方面，成功创制了可利用细胞内源胞嘧啶核苷三磷酸（CTP）和[color=var(--weui-LINK)][url=]烟酰胺单核苷酸[/url]（NMN）原位合成烟酰胺胞嘧啶二核苷酸（NCD）的酶（NcdS），构建了NCD自给平台菌株，并成功构建高选择性物质代谢途径，有效解决了胞内NCD供给问题（Nat. Commun. 2021, 12, 2116）。该工作进行了以下三部分的重要工作：一，以烟酸腺嘌呤单核苷酸转移酶（NaMNAT）为模板，分别改造其底物ATP和烟酸单核苷酸的结合口袋，获得了偏好[color=var(--weui-LINK)][url=]CTP[/url]和NMN的突变体，即NcdS；二，在此基础上同时表达CTP合成酶CtCTPS*和NMN合成酶FtNadE，构建NCD合成模块，并将该模块用于不同大肠杆菌株系中，均获得稳定的NCD自给表型，胞内NCD最高可达5.0 mM；三，进一步在NCD自给平台菌株中引入NCD依赖型苹果酸酶突变体和乳酸脱氢酶突变体，发现NCD(H)可选择性驱动L-苹果酸转化生成[color=var(--weui-LINK)][url=]D-乳酸[/url]，转化率提高4倍。

图3 非天然辅酶自给平台菌株构建及应用

另一方面，通过筛选获得了偏好NCD的苹果酸酶突变体，构建依赖于NCD的正交氧化还原体系，并将NCD关联的氧化还原配对拓展至亚磷酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、甲酸脱氢酶、细胞色素P450酶等氧化还原元件；通过解析晶体结构，揭示了辅酶偏好性改变的分子基础；以大肠杆菌为宿主，通过表达核苷酸转运蛋白和NCD偏好型氧化还原酶，成功实现NCD介导的高选择性能量传递（J. Energy Chem. 2023, 79, 31; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3143; ACS Catal. 2019, 9, 1883）。以构建构建NCDH依赖型细胞色素P450酶为例，首先，以细胞色素P450 BM3为模板，对其NADP结合口袋进行改造，获得了偏好利用还原型烟酰胺胞嘧啶二核苷酸（NCDH）的突变体，氧化底物探针12-(对硝基苯氧基)-十二烷酸的催化效率超过15,000 M−1 s−1，NCDH偏好性提高640倍；进一步将突变体与NCD依赖型甲酸脱氢酶融合，成功构建以甲酸为电子供体，NCD特异的P450融合酶催化的脂肪酸羟化；此外，通过研究P450 BM3突变体和融合酶的酶催化性能，发现其与天然P450 BM3利用NADPH时的脂肪酸链长偏好性相似，且对月桂酸次末端羟基化也有相似的区域选择性。

图4 非天然辅酶依赖型细胞色素P450酶的构建及应用

智能化液体工作站系统的应用展望

集成化液体工作站功能强大，能够提高科研人员的工作效率，然而目前市场上的大型集成化液体工作站产品被进口品牌垄断。近年来，国产液体工作站产品整体技术水平开始显著提升，且性价比较高，正逐步得到用户认可。

集成化液体工作站能够完成大量高度重复性的工作，使科研人员双手得到解放，其未来发展方向是将其扩展为全自动实验室的组成部分，而全自动实验室对移液工作站的通用性及兼容性要求将更高。目前，现代机械臂的示教再现功能已逐渐引入机器学习、强化学习、机器视觉、增强现实等技术，不但可以手把手示教还可通过语音控制其运动，且控制软件会自动规划运动路径，使机械臂模仿人工操作过程甚至直接与人交互协作（合成生物学2022, 3, 195），这使科研人员对机械臂的动作编程更加简单高效。将AI融入到机器人控制甚至实验方案的迭代进化中，使机器人能够自主完成实验，是集成化液体工作站未来的发展方向，这又向全自动实验室迈出了一大步（Nat. Biotechnol. 2017, 35, 310），今后工作站还需加强自主工业软件设计，补齐工业机器人发展的短板。总之，国产实验室自动化设备尤其是实验室机器人设备的发展，还需要国内工业和科研领域从硬件、软件、人才、多学科交叉等多方面入手，共同推动国内实验室自动化设备逐步走向市场。

镁伽多元智能自动化解决方案

助力生命科学行业发展

镁伽也在生命科学智能自动化领域做了一系列探索，在药物研发、临床诊断、细胞基因治疗、再生医学、应用化学等生命科学领域开发出多种智能自动化解决方案，如自动化细胞系构建系统、高通量药物筛选系统、合成生物学解决方案、样品前处理系统、生产工艺系列灌装系统等。成功研发出广泛应用的Auflo-P1200/1600专业级液体工作站、Auflo-D800多通道分液仪等Auflo液体处理工作站系列，全自动灌装旋盖系统和冻干球全自动分装系统等生产级自动化产品以及搭载镁伽自主研发的MegaFluent®实验室调度软件的全自动质粒构建系统、MegaOmics全自动组学样品前处理平台等大型整合自动化产品。

团队主要成员：

赵宗保

中国科学院大连化学物理研究所

研究员、生物技术研究部副主任

曾获国务院政府特贴、国家杰出青年科学基金和中科院引进国外杰出人才计划等资助。1998年在中科院上海有机化学研究所获博士学位，随后赴美国明尼苏达大学和德克萨斯大学开展博士后研究。2003年11月入职大连化物所，从事能源生物技术和合成生物学研究，聚焦微生物能量代谢和酵母油脂技术等方向。

已在Nature Chemical Biology，Nature Communications和Angewandte Chemie等刊物发表论文200余篇，论文总引13000余次，h-因子59 (Google Scholar)。获授权发明专利50余件。曾获辽宁省自然科学二等奖、中国药学会科学技术一等奖、大连市技术发明一等奖等奖项。任《FEMS Yeast Research》和《Bioresources and Bioprocessing》编辑。

吕力婷

中国科学院大连化学物理研究所

助理研究员

2018年在东北大学获博士学位，后于中国科学院大连化学物理研究所开展博士后研究，合作导师赵宗保研究员。2023年2月入职大连化物所，从事合成生物学研究并负责能源生物技术平台。

中国科学院大连化学物理研究所研究员、生物技术研究部副主任赵宗保老师表示：“合成生物学、人工智能/机器学习和自动化的结合将为生物技术的研发落地提供大量高效、智能的工具，可为人类应对生命健康、气候变化、资源能源安全、粮食安全等重大挑战提供崭新的解决方案。”

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学习了，谢谢提供分享。