BioLector XT整合自动化工作站——BioMektor优化E.coli工程菌发酵工艺

2025-03-21 09:15:12 41阅读次数

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通过整合BioLector XT高通量生物反应器、Biomek i5自动化工作站及SCIEX Triple Quad 7500系统，建立了一套高效工艺开发方案。优化筛选三脱氢莽草酸产量的最优培养条件40%葡萄糖浓度+指数补料策略*。本文提取关键操作参数与数据结论为工业微生物工艺开发提供参考。

整合设备

BioLector XT：

实时监测pH、溶解氧 (DO) 、生物量，荧光支持32孔通量微流控梅花板的补料和pH调控并行实验。

Biomek i5 SPAN-8：

全自动完成培养基配置（误差<2%）、接种及收样。

图1：BioLector XT高通量微型生物反应器与Biomek i5自动化工作站的整合设备Biomektor

产物检测设备

SCIEX质谱：

通过离子对 (Q1/Q3=171.1/109) 实现目标产物精准定量 (RSD<5%) 。

图2：SCIEX Triple Quad 7500三重四极杆质谱仪

实验条件

本研究利用BioLection 5.6软件在32孔微流控梅花板中构建微生物培养体系，通过集成pH调控与梯度补料策略优化菌株生长环境。系统设定37°C恒温及1000 rpm振荡培养，采用氧气上调通气预防溶氧限制。实验采用单侧pH控制策略，在培养1小时后启动3M NaOH自动滴定维持pH=6.9。

6小时后在培养孔中实施三因素实验设计：3种葡萄糖浓度 (10%/20%/40%) 分别与3种补料模式（恒定*、线性*、指数*）组合，同时设置第7列（仅恒定补料）、第8列（仅pH调控）作为对照。微流控模块通过A/B行储液孔（分别装载pH调节剂和补料基质）实现精准流体控制，Biomass/pH/DO三参数在线监测系统实时追踪培养动态。该设计通过空间矩阵排布实现了培养条件的高通量筛选。

表1：*恒定、线性、指数分别为设计优化的补料公式

菌株自动化接种

研究采用RoboLector Agent软件与Biomek i5 SPAN-8自动化移液系统整合，实现高通量菌株接种。通过设定绝对时间触发 (Abs.Time=0 h) ，在BioLector XT持续振摇 (1000 rpm) 条件下，以Dosing模式向32孔梅花板每孔精准注入20 μL菌液，确保接种同步性与均一性。

图3：Biomek i5与BioLector XT整合使用台面布局

培养液智能化收样

基于预设时间触发 (Abs.Time=20 h) ，通过RoboLector Agent调用Biomek i5 SPAN-8系统完成培养终止与样本采集。利用可水洗移液针在持续培养环境中，从每孔中定量抽取800 μL培养液至收样孔板，实现无污染、高精度收样，保障后续分析数据可靠性（图4）。该流程集成设备联动与程序化控制，支持高通量培养体系的闭环管理。

图4：RoboLector Agent中的培养体系收样Trigger设置

实验关键结果分析

在线监测显示，补料策略显著影响菌株生长与产物合成：在10%葡萄糖+恒定补料条件下生物量最高，但三脱氢莽草酸最大产量 (1.877 mg/mL) 出现在40%葡萄糖+指数补料模式。pH动态调控（维持6.9）有效缓解菌体产酸导致的生长抑制，未调控组pH降至4时生长停滞。补料体积数据揭示不同策略的基质供给差异，指数补料更适配高浓度葡萄糖代谢需求。

图5：使用BioLection 5.6软件分析的产三脱氢莽草酸的E.coil工程菌Biomass菌株生长情况

表2：使用SCIEX液相色谱串联三重四极杆质谱仪测试每个培养孔的三脱氢莽草酸产量（计算平行孔的平均值结果）

高通量自动化系统效能验证

整合BioLector XT与Biomek i5的Biomektor系统实现了全流程自动化：

pH/DO实时调控、梯度补料（32孔微流控）；

接种/收样（RoboLector Agent触发SPAN-8操作）；

系统支持并行筛选48组非补料或32组补料条件，并通过质谱（如SCIEX）实现产物定量分析，突破传统工艺开发的通量瓶颈。

该平台兼具在线监测（Biomass/pH/DO/荧光）、实时在线补料及pH调控与设备扩展性（可联用SCIEX质谱/MD Reader等），为菌株筛选与工艺优化提供闭环解决方案。研究证实，通过微流控补料策略与代谢调控协同，可优化筛选得到最适的目标产物产量培养条件，为自动化生物制造提供解决途径。