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.

Le applicazioni di biologia di sintesi ad alto rendimento, come l’ingegnerizzazione dei ceppi, trarranno grande vantaggio dall’aumento della produttività di un sistema di prelievo di colonie microbiche controllato da robot, come il nostro sistema di prelievo di colonie microbiche QPix Microbial Colony Picker, che preleva fino a 30.000 colonie al giorno con tracciamento automatico dei dati di prelievo e gestione del database. Il sistema QPix può essere integrato in un flusso di lavoro molecolare end-to-end, il che consente agli utenti di ottenere una maggiore produttività e una maggior autonomia operativa, con maggiori opportunità di concentrarsi sulla componente di apprendimento dell’approccio DBTL, indirizzando i successivi progetti di nuovi ceppi.
Esempio di soluzione di sistema integrata per una workstation di clonazione molecolare totalmente automatizzata

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.
Il sistema QPix è in grado di prelevare con precisione 3.000 colonie all’ora, eliminando gli errori comuni associati ai processi manuali, come i doppi prelievi o le omissioni.

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.

Progressi del cliente: Fermentalg® utilizza il sistema di prelievo di colonie QPix® 420 per sfruttare il metabolismo delle microalghe per produrre coloranti alimentari naturali

Risorse e applicazioni della biologia di sintesi

La biologia di sintesi consente di progettare e costruire sistemi biologici su misura con le funzionalità desiderate.

Risorse recenti

Risorse per la biologia sintetica