Hệ thống tối ưu hóa sàng lọc giống thông lượng cao chủ yếu được sử dụng để sàng lọc và tối ưu hóa các chủng vi sinh vật thông qua các phương pháp tự động hóa hiệu quả cao, đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực lên men vi sinh vật công nghiệp, sản xuất thuốc, quản lý môi trường, v.v. Phương pháp sàng lọc các chủng thường dựa trên các kỹ thuật trong một số lĩnh vực sau:
1. Sàng lọc môi trường
Chọn môi trường thích hợp: Việc sàng lọc các chủng thường đòi hỏi phải chọn môi trường khác nhau để thúc đẩy sự phát triển và sản xuất các sản phẩm của vi sinh vật mục tiêu. Các thành phần môi trường khác nhau có thể ảnh hưởng đến chất chuyển hóa của chủng và do đó cần phải thiết kế một môi trường cụ thể dựa trên sản phẩm mục tiêu hoặc chức năng mục tiêu.
Tối ưu hóa môi trường: Khả năng sản xuất chất chuyển hóa của chủng có thể được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh nguồn carbon, nguồn nitơ, khoáng chất và độ pH trong môi trường.
2. Công nghệ sàng lọc thông lượng cao
Công nghệ sàng lọc thông lượng cao (HTS) cho phép phát hiện song song các đặc tính của một số lượng lớn các chủng trong thời gian ngắn hơn. Các phương pháp sàng lọc thông lượng cao phổ biến bao gồm:
Phương pháp tấm microporous: Sử dụng tấm microporous 96, 384 hoặc cao hơn, nhanh chóng sàng lọc các biểu hiện của sự tăng trưởng, tổng hợp sản phẩm của nhiều chủng.
Phát hiện nuôi cấy lỏng: Các chủng có hiệu suất tốt nhất được sàng lọc bằng cách tự động đo tốc độ tăng trưởng của chủng, nồng độ chất chuyển hóa và các thông tin khác thông qua hệ thống xử lý chất lỏng tự động.
Phương pháp thăm dò huỳnh quang: Sử dụng các dấu hiệu huỳnh quang hoặc thuốc nhuộm để nhanh chóng sàng lọc các chủng tốt bằng cách phát hiện sự tăng trưởng của chủng hoặc thay đổi các sản phẩm trao đổi chất.
Phương pháp kính hiển vi tự động: Kết hợp với kỹ thuật phân tích hình ảnh, sử dụng quét kính hiển vi tự động và phân tích hình thái thuộc địa để sàng lọc các chủng tốt nhất từ các mẫu quy mô lớn.
3. Sàng lọc bộ gen
Chỉnh sửa gen: Sử dụng các công cụ chỉnh sửa gen như CRISPR/Cas9 để điều chỉnh định hướng bộ gen vi sinh vật để tăng năng lực sản xuất của sản phẩm mục tiêu hoặc tối ưu hóa các đường dẫn trao đổi chất cụ thể.
Quét toàn bộ bộ gen: sàng lọc các chủng có tiềm năng thông qua việc giải trình tự và phân tích bộ gen, tập trung vào các gen chuyển hóa hoặc dung nạp có lợi thế.
Phân tích nhóm phiên mã: Phân tích phổ biểu hiện gen của các chủng bằng RNA-seq, sàng lọc các chủng cho thấy hoạt động hiệu quả trên các con đường trao đổi chất mục tiêu.
4. Sàng lọc chất chuyển hóa
Phân tích sắc ký: Sử dụng các kỹ thuật như sắc ký lỏng hiệu quả cao (HPLC), sắc ký khí (GC), sắc ký lớp mỏng (TLC) để phát hiện các chất chuyển hóa của các chủng trong các điều kiện nuôi cấy cụ thể, sàng lọc các chủng có khả năng sản xuất chất chuyển hóa cao hơn.
Phân tích khối phổ (MS): Kết hợp với phân tích khối phổ, phân tích định lượng và định tính của các chất chuyển hóa chủng được thực hiện để sàng lọc thêm các chủng có năng suất cao hơn.
5. Sàng lọc kháng
Xét nghiệm kháng thuốc: Đối với sàng lọc kháng cụ thể, chẳng hạn như kháng kháng sinh hoặc dung nạp kim loại nặng, sàng lọc thông lượng cao có thể được thực hiện thông qua các tấm kháng thuốc hoặc nuôi cấy chất lỏng để tìm các chủng thích nghi với điều kiện môi trường đặc biệt.
Sàng lọc thích ứng với môi trường: Trong một số quá trình lên men công nghiệp, các chủng có thể cần phải hoạt động trong các điều kiện môi trường cụ thể như nhiệt độ cao, độ pH thấp hoặc môi trường muối cao. Bằng cách sàng lọc trong những điều kiện khắc nghiệt này, các chủng thích nghi có thể được tìm thấy.
6. Sàng lọc hoạt động enzyme
Xét nghiệm hoạt động enzyme: Nếu một chủng mục tiêu tạo ra một loại enzyme nhất định, một chất nền thích hợp có thể được sử dụng để phát hiện hoạt động của enzyme, chẳng hạn như chất nền sắc tố để xác định phản ứng xúc tác của enzyme. Phương pháp này cho phép sàng lọc nhanh các chủng có hoạt tính enzyme cao.
Phương pháp Enzyme huỳnh quang: Sử dụng chất nền đánh dấu huỳnh quang và hệ thống phát hiện để phát hiện hoạt động của enzyme thông qua những thay đổi huỳnh quang, sàng lọc các chủng có hiệu suất vượt trội.
7. Sàng lọc toàn diện
Sàng lọc đa chỉ số: Kết hợp nhiều yếu tố như tốc độ tăng trưởng, sản lượng sản phẩm, dung nạp, đặc tính trao đổi chất của các chủng, đánh giá toàn diện sàng lọc các chủng tốt nhất. Phương pháp này thường được vận hành kết hợp với các nền tảng tự động hóa thông lượng cao, cho phép sàng lọc quy mô lớn và hiệu quả cao.
8. Ứng dụng của nền tảng tự động hóa
Các hệ thống sàng lọc thông lượng cao thường được trang bị các nền tảng tự động có khả năng tự động hóa quá trình xử lý mẫu, nuôi cấy, phát hiện và phân tích. Ví dụ, kết hợp với robot xử lý chất lỏng và kính hiển vi tự động, có thể sàng lọc một số lượng lớn các chủng trong một thời gian ngắn.
9. Phân tích và tối ưu hóa dữ liệu
Phân tích dữ liệu lớn: Tối ưu hóa hơn nữa các chiến lược sàng lọc và cải thiện độ chính xác và hiệu quả của sàng lọc chủng thông qua phân tích thống kê và học máy của dữ liệu sàng lọc thông lượng cao.
Thuật toán học máy: Sử dụng thuật toán học máy để phân tích tác động của các thông số khác nhau (như nhiệt độ, pH, thành phần dinh dưỡng, v.v.) đối với hiệu suất của các chủng trong quá trình nuôi cấy, tự động hóa các chiến lược sàng lọc tối ưu.
Thông qua các phương pháp này, hệ thống tối ưu hóa sàng lọc dòng chảy cao cho phép sàng lọc nhanh chóng và hiệu quả các chủng tiềm năng cho các nghiên cứu tiếp theo hoặc các ứng dụng công nghiệp.