Biologia di sintesi
Biologia reingegnerizzata per creare e migliorare gli organismi.
Cos’è la biologia di sintesi?
“Biologia di sintesi” è un termine ampio che si riferisce alla manipolazione dei pathway metabolici per indurre i microbi a produrre proteine in modo altamente prevedibile attraverso l’uso di principi di ingegnerizzazione. A volte vengono modificati singoli geni, altre volte interi genomi per ottenere le caratteristiche desiderate.
La biologia di sintesi è un campo interdisciplinare che combina i principi della biologia, dell’ingegnerizzazione e dell’informatica per progettare e costruire parti, dispositivi e sistemi biologici con nuove funzioni o capacità. Ha le potenzialità per incidere sulle applicazioni accademiche e industriali, compresa la creazione di nuovi composti terapeutici e vaccini, la botanica e i biocarburanti. L’attenzione è spesso rivolta alla generazione, alla caratterizzazione e all’isolamento di parti di sistemi biologici naturali prima di utilizzarli come componenti di un percorso biologico ingegnerizzato.
Una caratteristica specifica della biologia di sintesi è l’applicazione di principi razionali alla progettazione e all’assemblaggio di questi componenti biologici. Anche con una progettazione razionale, l’impatto dell’introduzione di DNA estraneo in una cellula può essere difficile da prevedere. Ciò crea la necessità di testare più permutazioni per ottenere il risultato desiderato. L’enfasi sulla progettazione modulare delle parti di DNA consente di assemblare una maggiore varietà di potenziali costrutti scambiando i singoli componenti. L’automazione del processo di assemblaggio riduce le tempistiche, la manodopera e i costi di generazione di più costrutti, consentendo un aumento della produttività con un ciclo di sviluppo complessivamente più breve.
In questo processo, i frammenti di DNA a doppio filamento sono progettati per facilitare la costruzione dei geni. I costrutti assemblati vengono tipicamente clonati in un vettore di espressione e verificati con la qPCR di colonia o il sequenziamento di nuova generazione (Next-Generation Sequencing, NGS). Tuttavia, in alcuni flussi di lavoro ad alto rendimento questa fase di verifica può essere facoltativa. I costrutti sintetici vengono poi analizzati in vari saggi funzionali. Dopo aver appreso dai risultati del saggio, i costrutti possono essere modificati o perfezionati. Questo ciclo di progettazione, costruzione, test e apprendimento si ripete fino a quando non si ottiene un costrutto di DNA che produce la funzione desiderata.
L’approccio Progetta, Realizza, Testa, Impara (Design, Build, Test, Learn, DBTL) per un flusso di lavoro di clonazione molecolare ad alto rendimento
L’approccio Progettare-Realizzare-Testare-Apprendere (Design-Build-Test-Learn, DBTL) utilizzato nell’ingegneria dei ceppi ha un potenziale quasi illimitato per progettare e sviluppare librerie di ceppi biologici ampie e diversificate. Ciò richiede spesso flussi di lavoro solidi e ripetibili di clonazione molecolare ad alto rendimento per aumentare la produttività di molecole target come trascritti nucleotidici, proteine e metaboliti. Il successo della biologia di sintesi si basa spesso sulla potenza dei microbi. I metodi tradizionali di screening delle colonie batteriche trasformate, che utilizzano puntali di pipette sterili, stuzzicadenti o anse di inoculazione, sono altamente inclini all’errore umano, richiedono molto tempo e lavoro, creando impasse nei vostri flussi di lavoro di clonazione molecolare.
Reingegnerizzate il vostro flusso di lavoro manuale di biologia di sintesi con il sistema di prelievo di colonie automatico QPix
- Semina su piastre: la semina è la fase iniziale della ricerca in biologia di sintesi, in cui le cellule microbiche o i costrutti genetici vengono seminati su piastre di agar solido per formare colonie individuali. Per ottimizzare questo processo, si possono utilizzare sistemi automatizzati come i seminatori robotizzati di colonie. Questi sistemi utilizzano tecniche di distribuzione ad alta densità, consentendo la semina simultanea di numerosi campioni in modo preciso ed efficiente. L’automazione consente di risparmiare tempo e riduce il potenziale di errore umano, consentendo ai ricercatori di seminare un numero maggiore di campioni in meno tempo.
- Screening: dopo la semina, la fase successiva consiste nello screening delle colonie per identificare quelle di interesse. Tradizionalmente, questa operazione veniva eseguita manualmente, con l’ispezione visiva e la selezione delle colonie da parte dei ricercatori in base a determinate caratteristiche. Tuttavia, per aumentare la produttività, si stanno diffondendo sempre più i sistemi di screening automatizzato delle colonie. Questi sistemi utilizzano l’analisi delle immagini e algoritmi di apprendimento automatico per identificare e classificare rapidamente le colonie in base a criteri predefiniti. L’automazione di questo processo consente di esaminare rapidamente un gran numero di colonie, risparmiando tempo e riducendo la soggettività.
- Prelievo: una volta identificate le colonie di interesse, inizia il processo di prelievo. Tradizionalmente, questa fase si basava su tecniche manuali, come l’uso di puntali di pipette sterili, stuzzicadenti o anse di inoculazione. Tuttavia, l’impiego di sistemi automatici di prelievo di colonie aumenta la produttività. Questi sistemi avanzati utilizzano bracci robotici con puntali o aghi sottili per trasferire con precisione e rapidità le colonie selezionate in varie applicazioni a valle. I sistemi automatici di prelievo di colonie possono gestire un numero elevato di campioni all’ora, aumentando in modo significativo la produttività e riducendo le attività ad alta intensità di lavoro.
- Di seguito sono indicati alcuni dei vantaggi del prelievo automatizzato di colonie per la biologia sintetica:
- Permette di ottenere un maggior rendimento, riducendo al minimo il lavoro manuale
- Assicura che il prelievo di colonie avvenga in maniera omogenea e obiettiva, al contrario del prelievo manuale soggettivo
- Supporta un’ampia gamma di applicazioni diverse
- Il tracciamento elettronico dei dati consente un controllo dati ben documentato
- Replicazione: una fase fondamentale nella ricerca in biologia di sintesi, la replicazione delle colonie selezionate consente di conservare e distribuire il materiale genetico per ulteriori analisi e sperimentazioni. La replicazione manuale prevede lo striscio delle colonie su più piastre, operazione che può richiedere molto tempo ed essere soggetta a errori umani. Utilizzate sistemi di replicazione automatica delle colonie per ottimizzare questo processo. Questi sistemi impiegano la robotica e tecniche di ridistribuzione ad alta densità per replicare simultaneamente le colonie su più piastre, garantendo coerenza ed efficienza.
- Ridistribuzione: la ridistribuzione consiste nel trasferire le colonie dalle piastre originali in nuovi formati o contenitori per la conservazione a lungo termine o per ulteriori esperimenti. Questa fase è fondamentale per mantenere grandi collezioni di risorse genetiche e facilitare i flussi di lavoro ad alto rendimento. I sistemi di ridistribuzione automatizzati, come i sistemi di prelievo di colonie robotizzati con lettori per codici a barre e capacità di manipolazione dei liquidi, possono trasferire con precisione ed efficienza le colonie in formati diversi, come micropiastre o provette di conservazione. Automatizzando la ridistribuzione, i ricercatori possono ottenere processi di trasferimento standardizzati e privi di errori, consentendo una migliore organizzazione e accessibilità delle risorse genetiche.
Vantaggi della biologia di sintesi
Bioproduzione accelerata
La biologia di sintesi consente il rapido sviluppo e la produzione di molecole di grande valore, che vanno dai biocarburanti e prodotti farmaceutici alle specialità chimiche. Sfruttando la potenza dell’ingegnerizzazione genetica, i ricercatori possono ingegnerizzare i microrganismi per produrre in modo efficiente i composti desiderati in grandi quantità. I vantaggi principali includono:
- Sostenibilità e impatto ambientale
- Innovazioni mediche
- Applicazioni industriali
L’ingegneria metabolica - che combina modellazione computazionale, strumenti genetici avanzati e screening ad alto rendimento - sta accelerando la progettazione e l’ottimizzazione dei percorsi biologici. Questo approccio integrato consente ai ricercatori di progettare microrganismi con una maggiore produttività, aprendo la strada a progressi nella bioproduzione.
Risorse e applicazioni della biologia di sintesi
La biologia di sintesi consente di progettare e costruire sistemi biologici su misura con le funzionalità desiderate.