如何让已经分化的细胞重新获得干细胞的能力? 这个问题就好像如何让河水倒流一样困难,逆转自然进程。
日本科学家山中伸弥,根据已有的线索找到了 24 个在干细胞中高表达(含量高),但在分化细胞中低表达的调控因子。他的一个学生将这 24 个因子分别单独转入到了 24 株皮肤细胞中,但都没有成功获得干细胞。他的学生大胆提议,将这 24 个因子的基因同时转入到一个已经分化的皮肤细胞中,竟然真的让皮肤细胞变成了干细胞。
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这 24 个因子中哪些是最重要的呢? 他们从这 24 个因子中每次去掉一个因子,转入皮肤细胞中看能否让其变成干细胞,逐渐缩小范围,最终成功锁定了 4 个最重要的因子。只需要添加这 4 个因子,就可以让皮肤细胞转化成干细胞,重新获得分化潜能。山中伸弥团队发明了划时代的诱导多能干细胞(iPSC)技术,并以此获得 2012 年的诺奖。
从 24 个因子缩小到 4 个因子,假设他们每次都恰好去掉了正确的因子,并且没有实验操作失误,也需要 20 次实验以及 300 次转入基因的操作,其中包含上万次的加样、离心、涂板等各种重复性实验操作。
从孟德尔豌豆授粉发现遗传定律,袁隆平培育杂交水稻,到山中伸弥的 iPSC 技术的发明, 大量的重复性实验操作,是生命科学研究取得成就的必经之路。
随着多组学时代的到来,生命科学逐渐发展为大数据科学,越来越多的发现依赖于高通量实验。“人工高通量”,费时费力,容易出错。动辄几百上千个样品的 DNA 提取、蛋白表达量分析,许多新的信号通路、转录因子、药物靶点的发现依赖于高通量筛选。药企需要从上万甚至几十万的分子库中找到有活性的先导化合物,再优化出合适的临床前候选化合物。
而随着人造肉、替代蛋白、青蒿素、PHA、DNA 存储等各项应用发展,合成生物学被越来越多的应用到农业、食品、医疗、生物基材料等领域。
合成生物学的研究需要建立“设计-构建-测试-学习”的闭环。大规模构建完成后, 测试成为一个限速步骤。 一周可能做一个几百万的建库都没有太大问题,但是测试需要一个一个测,特别是酶、细胞工厂等等,每一个样品 30 分钟,一周最多就测几百个,以这个速度永远是测不完的。
生命的高度复杂性,使得很多时候都需要高通量的方式先求解,再通过逆向工程去研究原理。 目前生命科学的研究和生产中存在大量的重复性操作,需要自动化的手段来提高效率和准确率,解放生产力。而疫情对于核酸检测的高通量以及安全性的要求,更是实验室自动化发展的催化剂。
但生命科学实验室的自动化跟通常制造业工厂自动化不同。 首先操作更加微观,而且由于在研发环节,实验场景和条件多变,这对自动化仪器设备的灵活性或者说柔性的要求更高。 生命科学行业迫切需要一场工业革命。随着自动化技术和智能化技术的高速发展,实验室自动化的变革即将到来,进入 4.0 时代。多个生物学场景下的智能自动化平台将组成一个全新的生命科学“操作系统”,带来生命科学及下游行业生产力的革命。
▲图 | 自动移液平台(来源:Hamilton 官网)
DeepTech 研究团队关注全自动液体处理工作站、样本前处理平台、机械臂、柔性自动化实验平台等各种生命科学实验室的自动化技术,深入探讨这些技术在生命科学、合成生物学、新药的研发和生产等场景的应用,并结合实际案例解析实验室自动化技术如何赋能生命科学探索。
现对生命科学实验室 自动化技术,在生命科学研究、合成生物学、CRO、 药企 等场景的应用,公开征集创新案例。若您和您的团队对此感兴趣,欢迎与我们联系,共同探讨合作机会。