WORKCELL, 高通量集成机器人生物能源应用的分子生物学平台

一、WORKCELL, 基于质粒的集成机器人工作站

美国农业部农业研究局国家农业利用研究中心在伊利诺伊州皮奥里亚市研发了一款集成质粒功能蛋白质组学的机器人工作站--WORKCELL.它能自动化完成从质粒文库构建到大规模克隆表达蛋白功能测试的所有必要步骤，由美国农业部（USDA）与Hudson Robotics公司联袂设计而成，用于开展基于质粒的功能蛋白质组学研究，旨在优化编码目标蛋白的基因开放阅读框（ORF），以满足生物能源应用的需求。

该WORKCELL机器人工作站集成了如一种基于轨道的液体处理系统[1]、一种机器人菌落采集组件[2]，自动化分子生物学实验方案[3]，全业务集成可编程软件[4]等，能够完成互补DNA文库构建、菌落筛选、质粒DNA分离、酵母和细菌转化、蛋白质表达以及相应功能检测等操作。

集成一种基于轨道的液体处理系统[1]

用于96孔板的质粒制备，可一次性处理四块96孔板并在单组样本中同步检测多项参数。涵盖长期/短期储存、细菌培养物离心沉淀、采用可重复使用移液枪头的无菌操作等步骤，6小时即可完成质粒的制备。由该液体处理系统制备的质粒具有良好的稳定性和可重复性。

集成一种机器人菌落采集组件[2]

将机器人菌落采集组件集成到自动化工作单元平台，开发出一种自动化多重筛选方法，可通过减少待筛选孔数来降低工艺成本，从而减少所需材料的用量。

自动化分子生物学实验方案[3]

该自动化分子生物学实验方案通过TrackLink和SoftLinx软件编写，包括诱变基因序列组装、PCR扩增产物纯化、PCR产物与载体连接、感受态大肠杆菌转化、 转化子平板培养以及用于质粒制备的培养物接种。

全业务集成可编程软件[4]

该系统用于整合工作单元上的所有质粒操作流程。（从含有目标基因开放阅读框的载体转化细胞制备质粒，到表达待测蛋白质）

二、基于WORKCELL工作站的自动化质粒制备流程

1. 将洁净的96孔板沿轨道从堆垛区移动至填充位置进行培养基灌注；

2. 由平板起重机机械臂将其转移至液体处理台，通过液体处理器完成接种；

3. 将平板沿轨道移动至菌落采集器进行铺板制备；

4. 铺板完成后移至密封机密封，随后放入培养箱；

5. 四块洁净的24孔深孔板通过轨道从堆垛区移动至填充位置添加培养基，再由平板起重机转移至处理台，从96孔板培养物中接种；

6. 深孔板经轨道移至培养箱，培养完成后转移至液体处理台进行质粒制备，最终将质粒洗脱至收集板中；

7. 分析测量质粒浓度。将收集板中的样本转移至紫外（UV）透光96孔板中，使用紫外/可见（VIS）微孔板读数仪在A230、A260和A280波长处进行检测（图1#6）。采用光纤分光光度计对质粒样本进行额外光谱分析，得出校正系数；

8. 在液体处理机甲板的质粒培养板中制备蛋白质表达反应体系，通过抽吸混合后，经轨道传送至板式起重机运输至热封机，最终送入热循环仪进行孵育。

三、WORKCELL的核心优势

WORKCELL具有高度集成、高通量、快读迭代、灵活拓展等多种核心优势。

高度集成：将分子克隆、蛋白质表达、功能筛选、菌株工程等多个环节整合于同一自动化平台。

高通量：支持大规模文库构建、筛选与验证。

快速迭代：通过标准化、可脚本化的流程，大幅缩短从基因设计到功能验证的周期。

灵活拓展：适用于多种应用场景，包括突变体优化、代谢工程、蛋白互作研究、生物催化等。

目前，高通量集成机器人已广泛应用于各大分子生物学平台、合成生物学平台，显著提升了实验的准确性和可重复性。自动化操作减少了人为因素带来的误差，确保了每一步实验操作的精确执行。机器人系统可以24小时不间断工作，大大提高了实验效率，节省了科研人员的时间和精力。

四、参考文献

1. Hughes SR, Riedmuller SB, Mertens JA, Li XL, Bischoff KM, Qureshi N, Cotta MA, Farrelly PJ. High-throughput screening of cellulase F mutants from multiplexed plasmid sets using an automated plate assay on a functional proteomic robotic workcell. Proteome Sci. 2006 May 2;4:10.

2. Hughes SR, Butt TR, Bartolett S, Riedmuller SB, Farrelly P. Design and construction of a first-generation high-throughput integrated robotic molecular biology platｆorm for bioenergy applications. J Lab Autom. 2011 Aug;16(4):292-307.

五、蓝华Tips

蓝华生物团队研发的高通量菌株筛选平台采用BlueLAIS 柔性实验室自动化整合软件，打通了设备控制流和数据流，用户可以通过易用的图形化界面自行设计和修改实验流程，实验流程支持循环、分支、变量等复杂功能，支持根据实验过程中的数据结果进行不同的实验流转，具有系统功能丰富、易用性强、可扩展性强的特点。

在硬件布局上，平台可分为开放式和封闭式两种类型。封闭式百级洁净无菌空间占地少、噪声低、美观大方；开放式则借鉴空间站对接的设计，仪器设备可灵活配置和更换，具有极高灵活性与通用性。

蓝华高通量菌株筛选平台内部包含移液工作站、温控振荡培养箱、离心机、酶标仪、挑克隆、涂布模块、PCR 仪等，支持基因编辑、菌株改造、分析测试等全自动化实验。

未来，蓝华生物高通量菌株筛选平台将助力更多研发实验室快速高效地完成实验。工业4.0技术赋能生物技术研发，蓝华期待与您的合作！

原创作者：北京蓝华生物技术有限公司