贝克曼库尔特 Echo 525在合成生物学与菌落PCR中的高通量平板涂布应用研究

本研究围绕合成生物学与分子克隆中的关键步骤——平板涂布，提出基于贝克曼库尔特（Beckman Coulter）Echo®声波移液系统的高通量解决方案。传统手工及自动化方案在效率、耗材与通量方面存在瓶颈，而Beckman Coulter Echo 525通过声学微滴喷射（ADE）实现非接触、nL级精准移液，显著提升通量并降低成本。

实验基于质粒构建与菌液梯度稀释，通过Echo 525进行高密度点样，并结合菌落PCR与测序验证，结果表明：

  • 单克隆阳性率达94.4%
  • 单克隆纯度与测序结果一致
  • 涂布效率显著高于传统方法

该方案证明：贝克曼库尔特 Echo平台可在不增加复杂操作的前提下，实现高通量、高准确性的菌落构建与筛选流程优化，适用于合成生物学、PCR验证及大规模克隆筛选场景。

一、研究背景：高通量涂布的瓶颈

合成生物学基于工程化原理设计和优化生物系统，其中分子克隆是核心基础技术。平板涂布作为分子克隆的重要步骤，直接影响重组质粒纯度与实验重复性。

然而现有方法存在明显局限：

  • 手工涂布（96样本）：约90分钟
  • 自动化系统（如QPix 460）：约30分钟
  • 问题：通量不足、耗材消耗大、难以支撑规模化实验

因此，开发高吞吐、低耗材的涂布技术成为关键需求。

二、技术方案：贝克曼库尔特 Echo 声波移液

本研究采用贝克曼库尔特（Beckman Coulter）Echo®移液系统，其核心技术包括：

  • Dynamic Fluid Analysis™（动态流体分析）
  • Acoustic Droplet Ejection（ADE，声学微滴喷射）
  • 美国专利：U.S. Patent 6,938,995

该系统特点：

  • 无需吸头（降低耗材）
  • 非接触式移液（降低污染风险）
  • nL级液滴转移（高精度、微型化）

Echo 525（Beckman Coulter）核心优势

  • nL级移液，显著降低试剂和样品消耗
  • 无耗材（无需吸头）
  • 无残留，CV值低，移液精度高
  • 非接触操作，避免交叉污染
  • 任意孔位到任意孔位灵活转移
  • 高速执行（3分钟完成384孔板25nL分配）

三、实验设计：高通量质粒构建与涂布

1. 质粒构建

  • 载体：PL2214（9330 bp）
  • 插入片段：C（1443 bp）、D（1581 bp）、E（1656 bp）
  • 方法：同源重组
  • 每组设置双重复（C1/C2、D1/D2、E1/E2）降低误差

2. 菌液处理与样本设计

共24个样本：

  • C1/D1/E1：原液、10×、20×、50×稀释
  • C2/D2/E2：浓缩10倍后再稀释（原液、10×、50×、100×）

3. Echo 525（贝克曼库尔特）涂布流程

  • 每滴体积：25 nL
  • 每样本：48滴（1.2 μL）
  • 点样至：384孔PP板 → SBS标准8格板（含Amp LB培养基）

图片

图1：Echo 525平板涂布软件方法设置

软件：Echo Plate Reformat（Beckman Coulter）

功能包括：

  • 可视化操作界面
  • 模板化移液
  • 多液体类型支持
  • 数据追踪与报告生成

四、实验结果

1. 菌落形成观察

关键结论：

  • 原液可直接获得单克隆
  • 浓缩10倍菌液显著提升菌落数量

图片

图2：使用Echo 525做平板涂布，平板上长出的单菌落

2. 菌落 PCR 验证

  • 随机挑选：18个菌落
  • 阳性：17个（94.4%）
  • 阴性：1个

说明：Beckman Coulter Echo 525涂布具备高可靠性

图3：菌落PCR电泳结果

3. 测序验证

  • 17个阳性PCR产物全部测序
  • 结果：
    • 单峰
    • 与设计序列完全一致

结论：所有阳性菌落均为目标单克隆，且PCR与测序结果一致

图4：一代测序验证单克隆

五、流程优化建议

在18个随机挑选的克隆中，94.4%（17/18）呈现单一目的条带和纯净测序峰图，证实该系统产生的菌落均为单克隆。基于此，建议在贝克曼库尔特 Echo平台下：

  1. 使用浓缩10倍菌液直接涂布可提升效率
  2. 可根据转化效率减少液滴数（当前48滴/样本）

六、综合结论

本研究表明：

贝克曼库尔特（Beckman Coulter）Echo 525系统可有效解决传统涂布中的效率与成本问题

1. 效率提升

  • 支持大规模（如96质粒）并行处理
  • 显著缩短实验时间

2. 成本优化

（1）耗材节省

  • 平板数量：
    • 手工：96块
    • QPix：12块
    • Echo：3块

节省比例：

  • 较手工降低97%（96板→3板）
  • 较QPix降低75%（12板→3板）
  • 吸头：完全不需要（Beckman Coulter Echo特性）

（2）设备成本降低

  • 培养箱需求：
    • 降低97%（vs手工）
    • 降低75%（vs QPix）

七、总结

基于本实验验证：

贝克曼库尔特 Echo声波移液技术在合成生物学与PCR相关应用中，能够实现高通量、低成本、高精度的平板涂布，是适用于规模化克隆筛选的重要工具平台。

FAQ

Q1：Beckman Coulter Echo 525适用于哪些实验？

适用于：

  • 合成生物学菌株构建
  • 分子克隆
  • 高通量筛选
  • 菌落PCR前处理

Q2：Echo系统为什么可以减少污染？

因为采用非接触式声波转移（ADE），无需吸头，不接触样品液面，从机制上减少交叉污染风险。

Q3：是否会影响克隆准确性？

实验显示：

  • PCR阳性率：94.4%
  • 测序：100%匹配

说明贝克曼库尔特 Echo系统不会降低克隆准确性。

Q4：Echo与传统自动化（QPix）相比优势是什么？

维度

Echo（Beckman Coulter）

QPix

移液方式

声波

接触式

耗材

无吸头

需要

通量

高

中等

精度

高（nL级）

μL级

污染风险

低

相对较高

Q5：是否适合PCR相关流程？

是的，Echo生成的单克隆可直接用于：

  • 菌落PCR
  • 测序前筛选

且验证结果表明数据可靠。


相关链接

联系我们