真正的模組化 DNA 工廠

藉由自動化技術實現工業規模的 DNA 提取

種子是新的「黃金」。何以見得?世界人口持續成長,大家的生存離不開植物性食品。但是,氣候變化、病蟲害問題卻威脅著植物育種。所以,植物育種者需要培育出抗性種子,並將其用於農業,而這個過程需要大量的 DNA 樣品。為此,Synchron Lab 研發了一種「DNA 工廠」。該工廠採用自動化生產模式,整合了 Festo 的龍門、電動軸、氣動夾具和感測器等產品。

該系統可在 24 小時內完成 40,000 次 DNA 樣品提取。因此,在實驗室自動化的條件下,它可以滿足一再升高的產能的要求。長期以來,人們對 DNA 樣品的需求量居高不下,就算雇用再多的實驗室助理,也無法完成這些數量的樣品處理。而且雇用人員也需要一筆高昂的費用。有了這些設備,高級實驗室助理便可以專注於結果分析,這才是他們的核心能力所在。

高產能:每日 400 個微孔板

即使是經驗豐富的實驗室助理,僅憑手工操作,每天也只能完成兩塊微孔板的 DNA 提取。就算使用小型自動化實驗台系統,每天也只能處理 8 塊微孔板。而利用 Synchron Lab 的新型「DNA 工廠」,每天處理的微孔板可達 400 塊。僅需一名操作員即可完成裝卸微孔板的工作。

「之前,實驗室人員對我們提供的自動化設備仍抱有一定的懷疑態度。所以我們讓他們充分瞭解了設備的運作原理。」Synchron Lab 專案與業務開發經理 Glenn Dukel 如此解釋。他們讓植物育種人員參與了開發工作,並採用了拖放元素等方式,讓操作軟體盡可能的直觀。

自動化樣品處理

設備從切碎的植物物質中提取 DNA。整個過程始於一個微孔板盒,該盒可容納 400 塊板,其中包括 200 塊輸入板和 200 塊輸出板。運作開始時,Festo 的條碼掃描器 SBSI 會掃描所有微孔板。電缸 EGC 與擺動氣缸 DRRD 和平行夾爪 DHPS 相互配合運作抓取微孔板,並將其放置在工件托架上,然後透過運輸系統運至不同工位。

為了將 DNA 從其他物質中分離出來,在第一個工位的裂解液樣品中添加經過編碼處理的金屬微球,也就是「磁珠」。DNA 附著在微球上,而其他物質則漂浮在微孔板上。之後用具有塗層的矽膠磁鐵將純異丙醇緩衝溶液從旋轉容器中吸出,然後用移液管將溶液滴入微孔板。然後開始 DNA 洗脫過程。

移液頭在平面式龍門 EXCH 上沿 X 軸方向移動,在具有足夠剛度的 EGC-HD 電軸上沿 Z 軸方向移動。同樣,配備 EMMT-AS 型伺服馬達的電動裝置可保證運動軌跡精確無誤。該類伺服馬達適用於要求頗高的動態場合,在定位任務中可表現出非常好的可控性和定位路徑精度。同時,節省空間的「單電纜解決方案」也可以降低安裝成本。

充分的清洗過程

第二個和第三個工位進行清洗操作。黏合劑緩衝溶液會在第二個工位吸取出來。在磁鐵的作用下,緩衝溶液會呈環狀。而 DNA 會存留在微孔板中。

在第三個工位,緩衝溶液異丙醇會將 DNA 從鹽分和乙醇中分離出來。此過程使用了 Festo 的滴定頭 VTOI。該滴定頭裝有 8 條輸出通道以及一個配合這 8 條通道的閥門,具有高效、可控的優點,適合用於微孔板。VTOI 可以滴定和虹吸 µl 等級的液量。這個過程可重複多次。

自動化處理模組

在第四個工位,用緩衝清洗液將 DNA 與磁珠分離。四個微孔板可同時聯合進行這個過程,相較於其他系統,該系統可實現規模經濟。該過程會用到在 X 方向運動的電缸 ELGC 和在 Y 方向運動的滑台 EGSC。然後用平行夾爪 DHPS 提升微孔板,以及用擺動氣缸 DRRD 平移微孔板。

「對我們來說,在這個專案中擁有一個優質、可靠和國際化的自動化合作夥伴尤為重要,因此我們決定採用 Festo 的自動化技術。這正如一個知名汽車品牌的口號所說:『唯有最好(Das Beste oder nichts)』。」Dukel 補充說道。

事實上,這座高度自動化的工廠也具有汽車製造廠的特徵 — 高生產率、高模組化。因此,Synchron Lab 樹立了 DNA 提取領域的「黃金標準」,使種子生產商能夠應對未來全球農業的龐大需求。

關於 Synchron Lab

Synchron 是一家從事自動化液體處理的專業企業,為實驗室自動化領域提供客製化解決方案。Synchron 在業界以不斷進取和勇於創新而聞名。自 1985 年以來,該公司一直與各家實驗室設備製造商保持良好關係,並以此為基礎,開發客製化產品。目前,該公司的軟硬體產品已遍及歐洲,在眾多實驗室投入使用。Synchron 熟悉自動化的各個領域,並在柔性機器人自動化的研發與行銷方面累積了豐富的經驗。

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由 Festo 實驗室自動化專家撰寫。

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