贝克曼库尔特 Echo在植物合成生物学中的应用：FAST-PB自动化平台与高通量基因构建设计

本文基于发表于《The Plant Cell》的研究，介绍了伊利诺伊大学团队开发的FAST-PB自动化植物基因工程平台。该平台整合了生物铸造厂理念与高通量流程设计，在“设计-构建-测试-学习”循环中引入贝克曼库尔特（Beckman Coulter）Echo声波移液系统，实现基因载体构建的自动化与并行化。

在“设计与构建”阶段，Beckman Coulter Echo系统通过声学微滴喷射（ADE）进行非接触式纳升级液体转移，用于CRISPR载体和过表达载体的高通量组装。平台支持单次运行构建多达96个载体，并与下游转化、筛选和检测流程衔接。 在应用验证中，该自动化体系用于植物细胞脂质代谢工程，结合单细胞脂质组学分析，实验结果显示： 多种脂质（包括TAG）产量提升2–6倍 特定基因组合（Oleosin、WRI1、DGAT1）在再生植株中可达更高水平 该研究表明，贝克曼库尔特 Echo平台可在植物合成生物学中支持高通量基因构建与功能筛选流程的实现，为自动化植物工程提供技术路径参考。

一、研究背景：植物基因工程的自动化挑战

植物基因工程在作物改良、能源开发及基础研究中具有重要价值。然而，其典型流程包括：

  • 基因构建
  • 转化与编辑
  • 筛选与再生

该过程通常依赖多步骤手工操作，周期较长，且在规模化实验中效率受限。其中，载体构建阶段因重复性高、操作复杂，成为关键瓶颈之一。

二、FAST-PB平台：面向植物工程的自动化框架

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校团队开发了FAST-PB平台（fast, automated, scalable, high-throughput pipeline for plant bioengineering），其目标是：

  • 构建植物专用自动化生物铸造体系
  • 建立“设计-构建-测试-学习”（DBTL）闭环
  • 提高基因工程实验的通量与一致性

与现有生物铸造厂主要集中于微生物或哺乳动物系统不同，该研究聚焦于植物系统自动化流程的构建与验证。

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FAST-PB自动化平台示意图

三、Beckman Coulter Echo在基因构建中的作用

在FAST-PB平台中，贝克曼库尔特（Beckman Coulter）Echo声波移液系统被用于“设计（Design）”模块中的载体组装步骤。

1. 非接触式高精度液体转移

Beckman Coulter Echo系统基于声学微滴喷射（ADE）：

  • 实现纳升级液滴转移
  • 无需吸头（减少耗材）
  • 非接触操作（降低交叉污染风险）

在本研究中，该系统用于：

  • gRNA组分转移
  • DNA片段分配
  • Golden Gate反应体系构建

2. 并行构建能力

系统支持：

  • 96孔板并行操作
  • 任意孔到任意孔的灵活移液

研究指出：

通过将Beckman Coulter Echo集成至自动化流程中，FAST-PB平台可在单次运行中构建多达96个基因载体。

该能力相较传统手动构建（通常一次仅处理少量样本）显著提升实验通量。

3. 与自动化流程集成

Echo系统与以下步骤衔接：

  • 温育反应
  • 细菌转化
  • 质粒提取

实现从构建到验证的连续化操作流程。

四、自动化植物基因工程流程拓展

FAST-PB平台进一步拓展至植物细胞层面的自动化处理。

1. 原生质体分离与转染

  • 使用PEG 2050优化转染效率

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不同分子量聚乙二醇（PEG）处理本氏烟和玉米的转染效率对比

 

  • 在本氏烟与玉米中获得较高GFP阳性率
    • 本氏烟：约41%
    • 玉米：约57%

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转染后4天的效率变化

2. 愈伤组织转化与验证

  • 采用农杆菌介导转化
  • 实现目标基因过表达
  • 测序验证编辑成功

iBioFAB平台上得到的基因工程本氏烟愈伤组织

3. 植物再生

转化后的愈伤组织可再生成完整植株，并表现出脂质性状变化。

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植物再生

4. 单细胞脂质组学分析

平台整合：

  • MALDI-FT-ICR单细胞质谱
  • 传统LC-MS/MS验证

特点：

  • 单细胞检测速度约1–2秒
  • 通量高于传统方法

五、实验结果与应用验证

1. 通量与效率提升

自动化流程可将传统数天或数周的载体构建工作压缩至数小时内完成。

2. 高通量筛选能力

借助Beckman Coulter Echo支持的并行构建能力，研究人员能够：

  • 同时测试多个基因组合
  • 快速筛选调控脂质代谢的关键因子

涉及基因包括：

  • WRI1
  • DGAT1
  • Oleosin

3. 脂质产量变化

实验结果表明：

  • 多类脂质产量提升约2–6倍
  • 在特定多基因组合表达条件下，TAG含量提升更高（原文数据保留，不扩展因果解释）

👉 注意：
此处结果来源于整体工程策略（基因组合 + 自动化筛选），并非单一由Beckman Coulter Echo系统直接导致。

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转基因本氏烟愈伤组织样品脂质质谱分析 K）使用CRISPR激活系统过表达WRI1（3701-WRI1）；L）过表达Oleosin、WRI1和DGAT1（pMDC43-OWD）

六、综合结论

该研究展示：

  • 自动化生物铸造理念可在植物系统中实现
  • FAST-PB平台建立了高通量植物工程流程

在此过程中：

贝克曼库尔特（Beckman Coulter）Echo声波移液系统主要贡献于基因构建阶段的高通量与标准化操作实现。

其技术优势包括：

  • 非接触移液
  • 纳升级精度
  • 高通量并行处理

该平台为植物合成生物学及相关代谢工程研究提供了可扩展的技术路径。

FAQ

Q1：Beckman Coulter Echo在该研究中具体作用是什么？

用于基因载体构建阶段的液体转移与反应体系搭建，支持高通量自动化操作。

Q2：Echo系统是否直接导致脂质产量提升？

不是。
脂质提升来源于：

  • 基因调控策略
  • 工程设计
  • 后续筛选

Echo的作用在于提升构建与筛选效率，而非直接改变生物学结果。

Q3：该平台一次可以构建多少载体？

研究中指出：
单次运行最多可并行构建96个基因载体。

Q4：该技术是否适用于其他合成生物学场景？

从原理上看，可用于：

  • DNA组装
  • CRISPR构建
  • 高通量筛选前处理

但具体适用性需结合实验体系评估。

Q5：Echo系统的核心优势是什么？

  • 非接触移液（降低污染）
  • 无吸头（减少耗材）
  • 纳升级精度
  • 高通量并行处理

参考文献：

Dong, J., Croslow, S. W., Lane, S. T., Castro, D. C., ... Hudson, M. E. (2025). Enhancing lipid production in plant cells through automated high-throughput genome engineering and phenotyping. The Plant Cell, 37, koaf026. https://doi.org/10.1093/pcell/koaf026

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