합성 생물학

유기체를 만들고 개선하기 위해 생물학을 재설계했습니다.

합성 생물학이란?

합성 생물학은 공학적 원리를 사용하여 매우 예측 가능한 방식으로 미생물을 유도하여 단백질을 제조하도록 대사 경로를 조작하는 것을 가리키는 광범위한 용어입니다. 때로는 개별 유전자가 변형되고 때로는 전체 유전체가 원하는 특성에 맞게 편집됩니다.

합성 생물학은 생물학, 공학, 컴퓨터 과학의 원리를 결합하여 새로운 기능이나 성능을 갖춘 생물학적 부품, 장치 및 시스템을 설계하고 구성하는 학제간 분야입니다. 새로운 치료제, 백신, 식물과학, 바이오연료의 생성을 포함한 학계와 업계의 응용 분야에 영향을 미칠 수 있습니다. 자연 Biological System의 일부를 공학적 생물학적 경로의 구성 요소로 사용하기 전에 생성, 특성화 및 분리하는 데 중점을 두는 경우가 많습니다.

합성 생물학의 트레이드 마크는 이러한 생물학적 구성 요소의 설계 및 조립에 합리적인 원리를 적용하는 것입니다. 합리적인 설계를 하더라도 외부 DNA를 세포에 도입할 경우의 영향을 예측하기 어려울 수 있습니다. 이로 인해 원하는 결과를 얻으려면 다중 순열 시험을 실시해야 합니다. DNA 부분의 모듈식 설계에 중점을 두어 개별 구성 요소를 상호 교환함으로써 더욱 다양한 잠재적 구성체를 조립할 수 있습니다. 조립 공정을 자동화하면 여러 구성체를 생성하는 데 드는 시간, 노동력 및 비용이 줄어들어 전반적인 개발 주기가 단축되면서 샘플처리량이 증가합니다.

이 과정에서, 이중 가닥 DNA 단편은 유전자 구성이 용이하도록 설계됩니다. 조립된 구성체는 일반적으로 발현 벡터에 클로닝되고 콜로니 qPCR 또는 차세대 시퀀싱(NGS)으로 확인됩니다. 그러나 일부 High-Throughput 실험과정에서는 이 확인 단계가 선택 사항일 수 있습니다. 그런 다음 합성 구성체를 다양한 기능적 Assay로 분석합니다. Assay 결과를 통해 학습한 후 구성체를 수정하거나 개선할 수 있습니다. 이러한 설계, 제작, 시험, 학습 주기는 원하는 기능을 생성하는 DNA 구성체가 얻어질 때까지 반복됩니다.

High-Throughput 분자 클로닝 실험과정을 위한 DBTL(설계, 구축, 테스트, 학습) 접근 방식입니다.

균주 제조에 사용되는 DBTL(설계-제작-시험-학습) 접근 방식은 크고 다양한 생물학적 균주 라이브러리를 설계하고 개발할 수 있는 거의 무한에 가까운 잠재력을 가지고 있습니다. 이를 위해서는 뉴클레오티드 전사체, 단백질, 대사산물과 같은 표적 분자의 생산성을 높이기 위해 강력하고 반복 가능하며 High-Throughput 분자 클로닝 실험과정이 필요한 경우가 많습니다. 성공적인 합성 생물학은 종종 미생물의 힘에 의존합니다. 멸균 피펫 팁, 이쑤시개 또는 접종 루프를 사용하는 Transformation된 박테리아 콜로니의 기존 Screening 방법은 인적 오류가 발생하기 쉽고 노동 집약적이며 시간 소모적이어서 분자 클로닝 실험과정에 병목 현상을 일으킵니다.

균주 제조와 같은 High-Throughput 합성 생물학 응용 ​​분야에서는 자동 피킹 실행 데이터 추적과 데이터베이스 관리를 통해 하루에 최대 30,000개의 콜로니를 피킹하는 당사의 QPix 미생물 콜로니 피커와 같은 로봇 제어 미생물 콜로니 피커의 생산성 향상으로 인해 큰 이점을 얻을 수 있습니다. QPix 시스템은 End-To-End 분자 실험과정에 통합될 수 있어 사용자가 더 높은 처리량과 더 많은 워크어웨이 시간을 허용하고 DBTL 접근 방식의 학습 구성 요소에 집중할 수 있는 더 많은 기회를 제공하여 새로운 균주의 후속 설계에 정보를 제공합니다.
완전히 자동화된 분자 클로닝 실험과정을 위한 통합 시스템 솔루션의 예시

QPix 자동화 미생물 콜로니 시스템을 사용하여 수동 합성 생물학 실험과정을 재설계하세요.

  • 플레이팅: 평판도말은 합성 생물학 연구의 초기 단계로, 미생물 세포나 유전자 구성체를 고체 한천 플레이트에 도말하여 개별 콜로니를 형성합니다. 이 과정을 간소화하기 위해 로봇 콜로니 플래터와 같은 자동화 시스템을 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 고밀도 배열 기술을 사용하여 정확하고 효율적인 방식으로 수많은 샘플을 동시에 평판도말할 수 있습니다. 이 자동화는 시간을 절약하고 인적 오류 가능성을 줄여 연구자가 더 짧은 시간에 더 많은 수의 샘플을 평판도말할 수 있도록 해줍니다.
  • Screening: 평판도말 후 다음 단계는 관심 있는 콜로니를 식별하기 위해 콜로니를 Screening하는 것입니다. 전통적으로 이는 연구자가 특정한 특성을 기반으로 콜로니를 시각적으로 검사하고 선택하는 방식으로 수동으로 수행되었습니다. 그러나, 샘플처리량을 높이기 위한 자동화 콜로니 Screening 시스템이 점점 대중화되고 있습니다. 이러한 시스템은 이미지 분석과 머신 러닝 알고리즘을 활용하여 기본 설정된 기준에 따라 콜로니를 신속하게 식별하고 분류합니다. 이 과정을 자동화하면 많은 수의 콜로니를 신속하게 Screening하여 시간을 절약하고 주관성을 줄일 수 있습니다.
QPix 시스템은 시간당 3,000개 콜로니를 정확하게 피킹할 수 있어 이중 피킹 또는 누락과 같이 수동 과정과 관련된 일반적인 오류를 제거합니다.

합성 생물학의 장점

가속화된 생물생산

합성 생물학은 바이오연료와 의약품에서부터 특수 화학물질에 이르기까지 귀중한 분자의 신속한 개발과 생산을 가능하게 합니다. 과학자는 유전 공학의 힘을 활용하여 미생물을 조작하여 원하는 화합물을 효율적으로 대량 생산할 수 있습니다. 주요 장점은 다음과 같습니다.

  • 지속 가능성 및 환경적 영향
  • 의학적 혁신
  • 산업적 응용 분야

전산 모델링, 고급 유전 도구, High-Throughput Screening을 결합한 대사 공학은 생물학적 경로의 설계 및 최적화를 가속화하고 있습니다. 이러한 통합적 접근 방식을 통해 과학자는 향상된 생산성으로 미생물을 조작할 수 있으며, 이는 생물생산에 있어 획기적인 길을 열어줍니다.

고객 사례 소개: Fermentalg®은 QPix® 420 콜로니 피커를 사용하여 미세조류 대사를 활용하여 천연 식품 염료를 생산합니다.

합성 생물학 응용 분야 및 자료

합성 생물학을 통해 원하는 기능을 갖춘 맞춤형 Biological System을 설계하고 제작할 수 있습니다.

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