1、华东理工大学国家生化工程技术研究中心(上海)储炬2013-3-24,上海微生物菌种高通量筛选技术及装置研究全国发酵工程技术与工艺装备科技创新与产业化发展交流研讨会内容提纲高通量筛选在微生物育种中的重要意义菌种高通量筛选技术 国际进展国家生化工程中心高通量筛选工作基础一、 高通量筛选在微生物育种中的重要意义1、菌种是发酵技术的源头2、 菌种是发酵技术的核心之核心3、菌种提高不增加设备材料投入1、菌种发酵水平是企业产品市场竞争力的体现之一2、育种工作中两大任务: 突变 与 筛选一、 高通量筛选在微生物育种中的重要意义变异 菌种库 筛选 目标株自然选育人工诱变推理选育杂交育种基因工程代谢工程各种组学
2、系统生物学合成生物学特异性模型筛选量突变仅是前提筛选才是关键3、我国菌种筛选技术和装备现状与国际菌种筛选技术存在相当大差距我国: 传统方法,筛选模式式半个世纪没有明显改进国际: 高通量筛选技术(High throughput screening,HTS)一、 高通量筛选在微生物育种中的重要意义Traditional screening High throughput screeningFlask/tube (single) Microtiter plate (12、 24、 48、96、 384、 1536)Volume (10-50 ml) Volume (10-500 ul)Screen
3、20-50/week/lab Screen 1000-10000/week/labManual AutomaticLaborious Laborsaving Series Parallel 内容提纲高通量筛选在微生物育种中的重要意义菌种高通量筛选技术国际进展国家生化工程中心高通量筛选工作基础高通量筛选装置1 微孔板式反应器2 微流控式芯片实验室3 摇瓶形式的微型反应器123 微生物菌种筛选一般流程二、菌种高通量筛选技术国际进展出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测 微生物菌种筛选手段的发展趋势:自动化微型化高通量 培养基灭菌、倒平板
4、、挑取单菌落、分装发酵培养基、接种、培养、抽提、参数分析和数据自动收集处理等过程 单元自动化与系统集成自动化二、菌种高通量筛选技术国际进展自动化微型化高通量出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测全自动培养基分装系统750皿 /h自动灭菌培养基制备机出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测Filling Unit分装速率: 400 - 1200 dishes/hr分装量: 4 - 45 ml/0.5 - 0.6 sec平动规格:直径 92 - 98 mm可调高度 15 - 2
5、1 mm可调灭菌方式: 253.7 nm 紫外线灭菌尺寸重量: 45 cm(L)*30 cm(D)*61cm(H),15 kg Stacking Unit堆叠速率:可调,与输送机自动配合。堆叠高度: 2 - 15板平皿,可调堆叠桌面: 500 500 mm可扩充尺寸重量: 81cm(L)*49cm(D)*45cm(H),13kg出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测自动细菌平板稀释仪出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测挑 4600个克隆 /小时培养出发株 诱变等 10倍
6、稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测培养基分装传统方法出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测高通量方法( 96、 384、 1536) /min传统方法1-2/min1/15-30min二、菌种高通量筛选技术国际进展出发株 诱变等 10倍稀释 涂平板 单菌落 初筛 复筛 工艺 放大接种倒平板培养基保藏活化前处理检测培养基分装二、菌种高通量筛选技术国际进展2056 valves , 256 co
7、mpartments containing bacterial expressing an enzyme24个, 5ml12个, 30ml24个, 1ml在线多参数测量微反应器过程参数检测(重复性)二、菌种高通量筛选技术国际进展左图 4.9 2.3 2.2 m,整个箱体有温湿度控制,箱体内,条形码阅读器、盖板站、封板器、液体处理装置、摇床、光度计、离心机、冷藏室等。平行 地实现样品准备、运行、监控 768个( 16个 48孔板)。系统集成自动化二、菌种高通量筛选技术国际进展 1929, 1940s-1950s Pfizer公司:土霉素的发现 56名科学家、 10万份土样、历时 1年 25%市场
8、 1984年, Pfizer提出 Automation Project. 1990年,在 Nagoya, Japan实施 1万株份 /周高通量筛选技术的起源及应用我国菌种筛选技术和装备现状与国际菌种筛选技术 存在相当大差距青霉素: 5万 12万(国内)8万 20万(国外)红霉素: 50008000/10000(国内 )1000015000(国外)阿维菌素: 40008400(国内)10000以上(国外)案例高通量筛选投入自动化程度高、功能、进口设备500万元 -5000万元高通量是相对概念结合国情,逐步推进,手动到自动50万元 -500万元二、菌种高通量筛选技术国际进展内容提纲高通量筛选在微生
9、物育种中的重要意义菌种高通量筛选技术国际进展国家生化工程中心(上海)的高通量筛选工作基础三、国家生化工程中心 (上海 )的高通量筛选工作基础Scale upScale down微型化高通量 标准化多尺度菌种表型研究对高通量筛选技术存在认识上的误区仅注重培养环节高通量,忽略其他步骤匹配和瓶颈的转移问题认为微型化只要按比例缩小即可,忽略参数相关性问题对操作条件的平行性没有足够的认识对标准化重于最优化的认识不足高通量筛选是提高成功几率的一种技术手段菌种高通量筛选技术高通量前处理技术高通量培养技术高通量液体处理技术高通量转接种技术高通量克隆制备技术菌种库管理技术高通量数据管理技术高通量分析检测技术菌种高通量筛选技术技术路线组成分析测试高通量培养菌种资源菌种高通量筛选技术通量匹配限制瓶颈在不断克服和转移