Высокопроизводительные системы оптимизации селекции в основном используются для скрининга и оптимизации штаммов микроорганизмов с помощью эффективных автоматизированных методов, особенно в таких областях, как промышленная микробиологическая ферментация, производство лекарств и управление окружающей средой. Методы скрининга штаммов обычно основаны на следующих технологиях:
1. Скрининг питательных сред
Выбор подходящей среды: скрининг штаммов обычно требует выбора различных сред для содействия росту целевых микроорганизмов и производства продуктов. Различные компоненты питательной среды влияют на метаболиты штамма, поэтому необходимо разработать конкретную питательную среду в соответствии с целевым продуктом или целевой функцией.
Оптимизация среды: Производительность метаболитов штамма может быть оптимизирована путем корректировки источников углерода, азота, минералов и pH в среде.
2. Высокопроизводительные технологии скрининга
Высокопроизводительная технология скрининга (HTS) позволяет параллельно обнаруживать свойства большого количества штаммов за относительно короткий промежуток времени. Наиболее распространенные методы отбора с высоким потоком включают:
Метод микропористой пластины: использование микропористой пластины с 96 отверстиями, 384 отверстиями или более высоким потоком для быстрого скрининга роста различных штаммов, синтеза продуктов и других проявлений.
Обнаружение жидких культур: с помощью автоматизированной системы обработки жидкостей автоматически измеряется скорость роста штамма, концентрация метаболитов и другая информация, чтобы отобрать штамм с наилучшей производительностью.
Флуоресцентный зонд: использование флуоресцентных маркеров или красителей для быстрого скрининга хороших штаммов путем обнаружения роста штаммов или изменений в метаболитах.
Автоматизированный микроскопический метод: в сочетании с методами анализа изображений, с использованием автоматического микроскопического сканирования и морфологического анализа колоний, из больших образцов отбираются лучшие штаммы.
3. Геномный скрининг
Редактирование генов: использование инструментов редактирования генов, таких как CRISPR / Cas9, для целенаправленной модификации генома микроорганизмов для увеличения производственных мощностей целевых продуктов или оптимизации определенных метаболических путей.
Сканирование всего генома: отбор потенциальных штаммов с помощью секвенирования и анализа генома с уделением особого внимания тем метаболическим или переносимым генам, которые имеют преимущество.
Анализ транскрипционной группы: анализ спектра экспрессии генов штаммов с помощью RNA - seq для отбора штаммов, демонстрирующих высокую активность в целевом метаболическом пути.
4. Метаболический скрининг
хроматографический анализ: использование высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC), газовой хроматографии (GC), тонкослойной хроматографии (TLC) и других технологий для обнаружения метаболитов штаммов в определенных условиях культивирования и отбора штаммов с высокой способностью к производству метаболитов.
Масс - спектрометрический анализ (МС): в сочетании с масс - спектрометрическим анализом проводится количественный и качественный анализ метаболитов штаммов для дальнейшего отбора штаммов с более высокой урожайностью.
5. Устойчивый скрининг
Тест на резистентность: Для специфических скринингов на резистентность, таких как резистентность к антибиотикам или толерантность к тяжелым металлам, скрининг с высоким потоком может быть проведен с помощью пластин резистентности или жидких культур, чтобы найти штаммы, адаптированные к особым условиям окружающей среды.
Экологически адаптивный скрининг: В некоторых промышленных процессах ферментации штаммы могут работать в определенных условиях окружающей среды, таких как высокая температура, низкий уровень pH или высокая соленость. При скрининге в этих экстремальных условиях можно найти адаптивные штаммы.
6. Ферментно - активный скрининг
Тестирование активности ферментов: если целевой штамм производит какой - то фермент, ферментативная активность может быть обнаружена с помощью соответствующего субстрата, например, каталитической реакции фермента с помощью пигментного субстрата. Этот метод позволяет быстро фильтровать штаммы с высокой ферментативной активностью.
Флуоресцентная энзимная шкала: использование флуоресцентных маркеров субстратов и систем обнаружения для обнаружения активности ферментов с помощью флуоресцентных изменений и скрининга штаммов с отличными результатами.
7. Комплексный отбор
Многоиндикаторный скрининг: в сочетании со скоростью роста штамма, продукцией, толерантностью, метаболическими свойствами и многими другими факторами, всесторонняя оценка скрининга превосходного штамма. Этот метод часто работает в сочетании с высокопроизводительной автоматизированной платформой, способной к крупномасштабному и эффективному скринингу.
8. Применение автоматизированных платформ
Высокопроизводительные системы фильтрации обычно оснащены автоматизированными платформами, которые автоматизируют процессы обработки образцов, культивирования, обнаружения и анализа. Например, в сочетании с роботами по обработке жидкостей и автоматизированными микроскопами можно выполнить скрининг большого количества штаммов за короткое время.
9. Анализ и оптимизация данных
Анализ больших данных: дальнейшая оптимизация стратегий скрининга и повышение точности и эффективности скрининга штаммов посредством статистического и машинного анализа данных скрининга с высоким потоком.
Алгоритмы машинного обучения: использование алгоритмов машинного обучения для анализа влияния различных параметров процесса культивирования (например, температуры, pH, питательных веществ и т. Д.) на производительность штамма, автоматизации оптимизации стратегий скрининга.
Благодаря этим методам высокопроизводительные системы оптимизации селекции могут быстро и эффективно фильтровать потенциальные штаммы для последующего исследования или промышленного применения.