自從Isaac Asimov的I，機器人，一系列科幻小說在整個20世紀40年代出版以來，流行文化一直沉迷于機器人。我們將他們的潛力浪漫化，害怕他們的起義，并躲過他們的真空表兄弟。

現(xiàn)在，機器人正在進入生物學領域，承諾比任何科學家都能更快(更可靠)地進行實驗。它們被用于同時生長和監(jiān)測數(shù)百種工程生物，精確混合數(shù)十億的DNA鏈，甚至可以自動轉化或從平板上挑選細菌菌落。沒有人喜歡克隆DNA的繁瑣工作;現(xiàn)在整個管道可以在線控制。

對于代謝工程師 - 重新利用生物代謝來利用獨特食物來源或從工程生物中產生有價值分子的科學家 - 自動化實驗尤其有益。

“在生物學方面，我們仍然需要從實驗中學到很多東西。預測需要通過實驗進行驗證，然后不斷修改，這需要大量的反復試驗，“達姆施塔特工業(yè)大學的Johannes Kabisch教授說。

卡比施的研究小組，其重點是對代謝工程枯草芽孢桿菌和脂耶氏酵母，已全面接受機器人平臺為他們的代謝工程項目。

“我的團隊的目標實際上是開發(fā)微生物細胞工廠，以實現(xiàn)可再生的，基于碳氫化合物的生物經濟。我們正在努力為我們目前從化石燃料中獲得的東西找到生物替代品，“Kabisch解釋道。他的研究小組已經開發(fā)出新的工具來調節(jié)枯草芽孢桿菌中的基因拷貝數(shù)，并在解脂耶氏酵母中產生甘油中的碳氫化合物。

對于Kabisch來說，快速構建代謝設計原型(并引入真正的碳氫化合物經濟)的唯一方法是建立一個最先進的機器人系統(tǒng)，實驗室稱之為Sudo博士(xkcd漫畫的參考))。一旦構建，它可以構建數(shù)以千計的獨特DNA構建體，將它們轉化為細胞，并測量結果，幾乎不需要人為干預。Kabisch的實驗進入了超速狀態(tài)。

一個機器人，一個任務

為了更快地捕獲大量可靠數(shù)據(jù)并探索代謝設計，Kabisch轉向Analytik Jena建立模塊化機器人平臺。他們采用了“一個機器人，一個任務”的方法，每個機器執(zhí)行一部分實驗，然后將樣品傳遞到管道中的下一臺機器。

“當我們設計這個Analytik Jena平臺時，我們的目標是在設計它時考慮到Unix原則：一個工具，一個任務。我們不想設計一個可以完成所有工作的平臺，因此我們只完成兩項任務 - 一個系統(tǒng)自動克隆，這使我們能夠建立足夠的電路變量，另一個系統(tǒng)使用流式細胞儀和酶標儀測量這些電路。

雖然克隆這樣的東西表面上看起來是一個相對簡單的過程，但它需要各種專業(yè)設備，包括PCR熱循環(huán)儀，液體處理機器人和孵化器。Kabisch全心全意地了解他實驗室中的每一件設備。

“我們有一個帶有八個通道的CyBio FeliX移液器，可以進行櫻桃采摘和移液。我們還有一個96孔CyBio FeliX，我們用它來制作等分試樣用于測量或在96或384位置同時誘導細胞，“Kabisch解釋說。“我們還有一臺稱為Dispendix I-DOT的納升分配器，它可以進行納升分配。這對于DNA工作尤其有用，因為我們希望盡可能少地使用DNA。創(chuàng)建具有特定序列的DNA需要大量工作。你需要生長細胞，分離DNA等等。在很大程度上，這是一項很大的努力和錯誤的來源。“

Kabisch實驗室有一個經過序列驗證的部件庫，它們可以以獨特的組合方式組裝，以構建幾乎任何所需的序列。移液機器人非常有助于這個過程，仔細控制反應中使用的DNA濃度。一旦將DNA部件和試劑添加到板中，機械臂將它們傳遞到熱循環(huán)儀Biometra TRobot，其可以進行連接酶循環(huán)反應，這是從DNA片段組裝質粒的有效方法。

這些機器一起可以在幾個小時的時間內組裝數(shù)百個DNA設備，電路或多基因通路，幾乎沒有人為干預。

但創(chuàng)建所需的DNA序列只是一個開始。然后必須將DNA轉化到細胞中并測量它們的作用。

幸運的是，Kabisch有一個解決方案。另一組機器完成克隆管道，將DNA轉化為細胞并將其置于平板培養(yǎng)箱中。在培養(yǎng)細胞后，挑選并測量它們。

“該平臺還配有用于測量單細胞的細胞計數(shù)器，以及一個非?？焖俚淖x板器，可同時對多達3456個孔的板進行熒光和化學發(fā)光測量，”Kabisch說。

即使是單個實驗，建立一個克隆，轉化和測量活細胞的自動化系統(tǒng)也是不小的壯舉。但是并行運行數(shù)千個實驗呢?即使在機器人的幫助下，物流也會迅速變得勢不可擋。這就是控制實驗室自動化平臺的軟件如此重要的原因。

“控制[博士]的軟件Sudo]并連接所有單獨的機器稱為Composer，“Kabisch說。Analytik Jena的合成生物學顧問與他的實驗室聯(lián)絡，建議并支持工作流程的最佳設計和最流暢的編程，“因此我們有腳本準備好移動和驅動硬件，”他解釋道。

但Sudo博士不僅是一個自動化的實驗平臺：它正在學習如何自動設計實驗。

“現(xiàn)在，這個平臺實際上可以從實驗中學習并自動檢測各種媒體中的最佳誘導條件?；旧希汩_始使用各種誘導劑，平臺測量對誘導物濃度的第一反應，然后自動開始下一個實驗。通過簡單的網(wǎng)格搜索，它可以找到最佳的誘導劑濃度。這可能是手工完成的，但隨著你擴大介質和菌株的變量并觀察單細胞水平，這很快就會變得非常困難，“Kabisch說。

雖然擁有實驗室自動化系統(tǒng)很好，但實驗的速度很快就會成為實驗中的一個減少因素。然后，速率限制因素變?yōu)椋?/p>

我們應該如何處理所有這些數(shù)據(jù)?

機器人幫助建立預測生物模型

當Sudo博士匆匆離開，發(fā)出成千上萬的DNA構建體，通過流式細胞儀拍攝細胞，并制作數(shù)據(jù)時，實驗室的科學家們爭相解釋它。他們希望利用大量的實驗結果來更好地預測生物學 - 一個名為CompuGene的雄心勃勃的項目。

“CompuGene的目標是為分子電路創(chuàng)建預測模型......目前，如果我想進行代謝工程，我希望合成途徑中的基因具有一定的表達水平或邏輯，那么這個過程就完全是反復試驗的，” Kabisch解釋道。“CompuGene希望嘗試為此建立預測模型。”

CompuGene由BeatrixSüß和Heinz Koeppl領導，是一個由十幾名成員組成的財團?？傊?，該團隊已經使用像Sudo博士這樣的機器人在酵母中創(chuàng)建嚴格控制的，基于CRISPR的邏輯門，其在體內可預測。但他們的雄心并不止于此。

“我們已經建立了各種新的部件，如基于RNA的開關和適配器，以及基于dCas的開關，但所有這些都是在跨學科背景下完成的，”Kabisch說，他積極招募來自不同學科的學生到他的工作實驗室。

“我們有一個稱為建模實驗室的辦公室，來自物理，計算機科學，數(shù)學，化學，生物學和電氣工程的學生都有共享，”Kabisch說。“生物學學生幫助物理學家改進模型，因為他們知道哪些參數(shù)可以實際測量。CompuGene的目標和這些跨學科的互動是創(chuàng)建新的部件，新的開關和設備，但也是為了推進自動化。這樣，我們就可以生成新模型和新知識。“

盡管CompuGene財團的發(fā)展速度很快，但他們仍然承認其他團體進入類似研究領域的障礙。機器人并不便宜。幸運的是，像Kabisch這樣的團體旨在通過為某些實驗性協(xié)議開發(fā)低成本，自己動手的替代品來降低機器人進入障礙。

“大多數(shù)人將無法獲得機器人平臺，因此我們正在研究一些事情，”Kabisch說。“例如，我們沒有足夠的錢購買殖民地采摘器，所以我們開發(fā)了一種開源的，低成本的殖民地采摘器，它是用3D打印機制造的。通過這種方式，您可以獲得大約300歐元的殖民地選擇器。當然，它不像高端機器，但它的成本也要低得多。“

通過在多個方面推動計算機輔助合成生物學的概念，從自動化到模型構建和3D打印解決方案，Kabisch旨在對工程生物學產生真正的影響，并在工業(yè)規(guī)模上實施他的發(fā)現(xiàn)。

然而，問題仍然存在 - 機器人真的是一個互補的實驗手臂，在這里支持我們最大膽的科學問題嗎?Kabisch這么認為。

“我們真的希望制定更好的工藝來捕獲碳廢料，以生產生物燃料?；I(yè)迫切需要新的解決方案來捕獲和轉化大氣中的碳...機器人技術有助于探索代謝工程中這些復雜實驗的潛在解決方案。“

帶上機器人。