分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室GeneCore平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)與人工實(shí)操經(jīng)驗(yàn)結(jié)合

隨著基因組學(xué)研究要求以更少的樣本量實(shí)現(xiàn)更高的精準(zhǔn)度，基因組學(xué)平臺(tái)面臨著一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何在提高自動(dòng)化規(guī)模的同時(shí)，兼顧定制化實(shí)驗(yàn)方案的靈活性？

GeneCore是位于德國(guó)海德堡歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMBL)的基因組學(xué)核心平臺(tái)，是基因組研究的中心，為囊括冰川樣本檢測(cè)至珍稀物種分析在內(nèi)的各類項(xiàng)目提供技術(shù)支持。該平臺(tái)處于科學(xué)前沿陣地，通過自動(dòng)化技術(shù)與人工實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的相結(jié)合，助力歐洲乃至全球范圍內(nèi)的生命科學(xué)研究向前邁進(jìn)。

在這里，GeneCore 的科研人員分享了他們對(duì)于如何平衡 “無人值守自動(dòng)化” 與人工實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的見解，并闡釋了為何“樣本微量化” 會(huì)成為下一個(gè)前沿發(fā)展方向。

基因組學(xué)技術(shù)支持的五大支柱策略
GeneCore的運(yùn)營(yíng)得到了全面且穩(wěn)定的平臺(tái)支撐，旨在助力基因組學(xué)項(xiàng)目從方案構(gòu)思階段一路推進(jìn)至數(shù)據(jù)交付環(huán)節(jié)。“我們提供的服務(wù)涵蓋教學(xué)培訓(xùn)、樣本處理與文庫制備、長(zhǎng)短讀長(zhǎng)的新一代測(cè)序技術(shù)服務(wù)、咨詢與數(shù)據(jù)分析支持，以及新一代測(cè)序（NGS）數(shù)據(jù)管理。” 新一代測(cè)序自動(dòng)化高級(jí)工程師兼研究技術(shù)員費(fèi)里斯・榮（Ferris Jung）解釋道。

這套一體化服務(wù)方案不僅為歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）內(nèi)部的各研究團(tuán)隊(duì)提供支持，還拓展至外部合作，為全球各地的研究團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)服務(wù)。這些合作形式多樣，GeneCore所承接業(yè)務(wù)的廣度，也正體現(xiàn)了現(xiàn)代基因組學(xué)研究的多元化特質(zhì)。

GeneCore研究技術(shù)員Vivianne Dorothee Niehaus指出：“歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）內(nèi)部設(shè)有眾多不同的研究團(tuán)隊(duì)，他們?cè)噲D解決的研究問題覆蓋了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用科學(xué)的廣泛范疇。我們也承接大量來自外部的項(xiàng)目，其中不少都源于學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或大學(xué)附屬醫(yī)院。”

Ferris Jung和Vivianne Dorothee Niehaus是EMBL的GeneCore專家團(tuán)隊(duì)成員

致力于用具有挑戰(zhàn)性的樣本實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)基因組學(xué)

攻克高難度樣本挑戰(zhàn)
區(qū)別于其他的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，GeneCore 的過人之處在于，它十分樂于承接那些往往不符合標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的高難度樣本。 Jung解釋道：“GeneCore 的一大優(yōu)勢(shì)，就是我們敢于處理各類高復(fù)雜度樣本。很多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都會(huì)設(shè)定樣本的質(zhì)量與起始濃度：只要樣本兩項(xiàng)指標(biāo)有一項(xiàng)不達(dá)標(biāo)，他們就不會(huì)接手處理。”

因此，他們的技術(shù)方案需要依托深厚的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，而無法單純依賴自動(dòng)化技術(shù)。“面對(duì)高難度樣本時(shí)，需要科研人員實(shí)時(shí)跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，并憑借豐富的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，采用實(shí)踐驗(yàn)證有效的實(shí)驗(yàn)步驟。” Jung說，“這一過程必須由專業(yè)人員全程把控，才能切實(shí)確保將試劑盒的效能發(fā)揮到極致。”

GeneCore 的實(shí)驗(yàn)流程是團(tuán)隊(duì)協(xié)作的成果 —— 在樣本送達(dá)之前，實(shí)驗(yàn)人員就會(huì)針對(duì)初步的項(xiàng)目需求，啟動(dòng)深入的技術(shù)交流。

“我們不是一家用千篇一律的方式處理樣本的科研機(jī)構(gòu)。我們十分樂意助力各類高難度項(xiàng)目，助力科研同仁順利推進(jìn)研究工作，處理那些難度較高、流程復(fù)雜的樣本。” Niehaus 在闡述團(tuán)隊(duì)整體理念時(shí)強(qiáng)調(diào)，“我們團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)背景各不相同，每個(gè)人都身懷專長(zhǎng)。這正是我們?nèi)〉贸晒Φ年P(guān)鍵所在。”

戰(zhàn)略化自動(dòng)化方案，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性與高通量雙重目標(biāo)
GeneCore 采用精細(xì)化自動(dòng)化策略，深知并非所有實(shí)驗(yàn)流程都能從全自動(dòng)化中獲益。“我們有大量定制化實(shí)驗(yàn)流程，這給全自動(dòng)化儀器帶來了不小難度。因此，針對(duì)這類定制化樣本，我們采用半自動(dòng)化模式—— 畢竟這些實(shí)驗(yàn)流程并非完全標(biāo)準(zhǔn)化，不足以支撐全自動(dòng)化的投入與應(yīng)用。” Niehaus 解釋道。

不過，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)流程而言，全自動(dòng)化能夠帶來顯著優(yōu)勢(shì)。“我們也有大量 A 類標(biāo)準(zhǔn)樣本，這類樣本的處理方式完全一致，” 她補(bǔ)充道，“針對(duì)這類樣本，我們的目標(biāo)是將相關(guān)流程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，我們正逐步推進(jìn)全流程無人值守解決方案—— 操作人員只需完成試劑配制、樣本上樣，隨后即可離開，靜待流程結(jié)束。”

近年來，自動(dòng)化方案的應(yīng)用門檻正持續(xù)降低 —— 這類方案操作友好，對(duì)專業(yè)人員的技術(shù)門檻要求不高，同時(shí)還能帶來顯著效益。“自動(dòng)化將我們從重復(fù)性工作中解放出來，得以專注開展定制化項(xiàng)目。” Niehaus 指出，“此外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)流程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化且運(yùn)行成熟后，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性與重復(fù)性會(huì)大幅提升，通量也能隨之提高。”

自動(dòng)化技術(shù)正持續(xù)高速發(fā)展。為順應(yīng)這一市場(chǎng)需求，試劑生產(chǎn)商正不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提升其自動(dòng)化適配性。“但凡事皆需權(quán)衡利弊。” Jung 提醒道，“操作越簡(jiǎn)便的儀器，往往靈活性越差。而儀器的靈活性越高，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化運(yùn)行，就越需要操作人員具備豐富的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。”

微縮化和可持續(xù)性的興起
令人振奮的是，自動(dòng)化技術(shù)推動(dòng)了NGS文庫制備流程的微縮化發(fā)展。這一技術(shù)突破對(duì)樣本需求量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，使團(tuán)隊(duì)得以處理那些樣本量有限的珍貴樣本。“一旦實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程的微縮化，所需的樣本投入量就會(huì)大幅減少。” Niehaus 表示，“我們發(fā)現(xiàn)，如今需要處理微量珍貴樣本的實(shí)驗(yàn)流程越來越多。因此，微縮化技術(shù)讓我們能夠高效處理這類樣本。”

“任何一款移液體積可低至 1 uL以下的設(shè)備都極具應(yīng)用價(jià)值，而且我們發(fā)現(xiàn)，目前市面上推出這類設(shè)備的廠商已經(jīng)不在少數(shù)。” Jung 補(bǔ)充道。

在一個(gè)高度依賴塑料耗材的行業(yè)中，這場(chǎng)向微縮化邁進(jìn)的技術(shù)趨勢(shì)，同樣契合了更廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。“ EMBL 正推行一項(xiàng)綠色環(huán)保倡議，我們致力于通過減少塑料使用量來降低碳足跡。” Jung 指出，“比如，現(xiàn)有研發(fā)的部分技術(shù)可實(shí)現(xiàn)預(yù)混液的單次轉(zhuǎn)移—— 無需為每個(gè)樣本更換移液吸頭，而是以非接觸轉(zhuǎn)移的方式將預(yù)混液加入每個(gè)反應(yīng)孔，僅此一項(xiàng)操作就能節(jié)省大量塑料耗材。”

面向未來的微縮化
對(duì)于 GeneCore 這類科研機(jī)構(gòu)而言，移液體積可低至 1 微升以下的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備—— 例如 SPT Labtech 的dragonfly® discovery 與mosquito® genomics 自動(dòng)化移液平臺(tái) —— 堪稱一套性能可靠的自動(dòng)化升級(jí)方案。這類系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無接觸式液體添加，既能省去一次性移液吸頭的使用，又能在納升級(jí)別的移液體積下保持高精度。

依托核心技術(shù)平臺(tái)，共創(chuàng)穩(wěn)健發(fā)展未來
展望未來，Jung和Niehaus 均對(duì)核心技術(shù)平臺(tái)秉持推崇態(tài)度。“我由衷認(rèn)可核心技術(shù)平臺(tái)的存在價(jià)值，并建議科研人員積極借助這些平臺(tái)開展研究。” Niehaus 表示，“借鑒他人的經(jīng)驗(yàn) —— 尤其是那些具備專業(yè)能力、能夠?yàn)轫?xiàng)目規(guī)劃與實(shí)施提供支持的專家經(jīng)驗(yàn) —— 我們定能從中獲益良多。”

這一觀點(diǎn)的提出，還源于對(duì)研究可重復(fù)性的切實(shí)擔(dān)憂 —— 目前諸多已發(fā)表的研究成果，其可重復(fù)性比例極低。“我熱切期盼這一領(lǐng)域能有所改觀�？蒲械暮诵淖谥�，終究是讓我們得以共享彼此的研究成果、互惠共贏。” Niehaus 總結(jié)道，“當(dāng)初我決定投身核心技術(shù)平臺(tái)的工作，就是希望能深耕某一專業(yè)領(lǐng)域，為規(guī)劃這類實(shí)驗(yàn)的科研人員提供支持與指導(dǎo)。我渴望參與的研究，是能夠產(chǎn)出真實(shí)可信、具備可重復(fù)性數(shù)據(jù)的研究。”

https://www.embl.org/groups/genomics/

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