Цифровой селектор колоний с ИИ ускоряет поиск высокопроизводительных микробов
Исследователи из Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессных технологий (QIBEBT) Китайской академии наук разработали полностью автоматизированный «Цифровой селектор колоний» (Digital Colony Picker, DCP). Устройство идентифицирует и отбирает высокопроизводительные микробные клоны, одновременно отслеживая их рост и продукцию метаболитов, исключая необходимость в чашках Петри, иглах для отбора проб или ручном сборе. Исследование опубликовано в Nature Communications 10 октября.
Разработанный для популярного в синтетической биологии цикла «дизайн-сборка-тест-анализ», DCP преобразует традиционно медленную и трудоемкую фазу «теста» в быстрый параллельный процесс с минимальным участием человека. В его основе — микрофлюидный чип с 16 000 адресуемых микрокамер, которые изолируют отдельные клетки и отслеживают их рост в микроколонии.
Встроенный ИИ-движок проводит покадровый анализ сигналов как в светлом поле, так и от биосенсоров, чтобы в реальном времени количественно оценивать кинетику роста и продукцию метаболитов. После идентификации целевых колоний лазерная технология индуцирования пузырьков экспортирует их в виде капель прямо в стандартные чашки для культивирования. Этот бесконтактный перенос минимизирует перекрестное загрязнение и сохраняет жизнеспособность клеток.
В эксперименте на промышленном микроорганизме Zymomonas mobilis DCP использовали для поиска клонов, толерантных к лактатному стрессу и при этом продуцирующих больше лактата. После одного раунда скрининга был идентифицирован кандидат, который рос на 77% быстрее в среде с 30 г/л лактата калия и достигал почти на 20% более высокого титра лактата по сравнению с контрольной группой.
Последующий геномный анализ выявил ген внешнемембранного аутотранспортера ZMOp39x027. Это указывает на то, что усиленный транспорт и устойчивость к стрессу могут быть возможным механизмом и перспективной мишенью для создания более устойчивых и высокопродуктивных продуцентов органических кислот.
Помимо скорости, в исследовании подчеркиваются конструктивные особенности DCP, решающие типичные проблемы капельного и планшетного скрининга:
- Газовая фаза разделяет капли с культурами одиночных клеток, предотвращая перекрестное загрязнение.
- Быстрая смена среды поддерживает динамические или долгосрочные анализы.
- Индексирование всего чипа позволяет проводить панорамный анализ со скоростью около 800 колоний в минуту.
- Бесконтактный экспорт клонов в одно нажатие обеспечивает высокую эффективность сбора и хороший последующий рост.
Платформа совместима с различными микроорганизмами и методами детекции и легко интегрируется в последующие этапы работы, такие как культивирование в колбах или тестирование в биореакторах.
Объединяя отслеживание роста, мониторинг метаболизма и экспорт клонов в один клик, DCP превращает фенотипирование одиночных клеток в рутинный и масштабируемый процесс. «Теперь мы можем выявлять редких, лучших продуцентов на раннем этапе и сразу переводить их на оптимизацию», — отметил профессор Ян Шихуэй, соавтор исследования из Хубэйского университета.
По словам исследователей, платформа эффективна не только для поиска высокопродуктивных или лактат-толерантных мутантов Zymomonas mobilis, но и широко применима для исследований адаптивной эволюции, открытия функциональных генов и фенотипического скрининга у различных видов микробов.
Кроме того, система DCP работает со всеми методами мутагенеза, включая полногеномное редактирование и библиотеки случайных мутаций. Её ИИ-модули для детекции, сегментации и извлечения признаков могут быть адаптированы для новых типов клеток и флуоресцентных биосенсоров.