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針對藥物研發高通量篩選應用特點，我們在之前的推文《“極速”賦能 | 超高通量自動化系統加速藥物研發》中介紹了幾種不同設計的自動化整合系統。整合Echo? MS質譜系統，可完成超高通量的樣本處理及檢測，大大提高測試效率，加速研發進程。在合成生物學領域，基于“設計-構建-測試-學習”（DBTL）循環策略可以成功構建需要的細胞，生產出合適的產品，流程中需要海量工程化實驗去驗證和實現其預設功能，使用高通量自動化整合系統將顯著縮短DBTL循環周期。

快速、準確、同時定量多種代謝物是菌株性能多角度評估和菌株篩選的關鍵，基于質譜檢測技術可以實現多目標定量，但繁瑣的樣品前處理及耗時的色譜分離過程阻礙了其在合成生物學的大規模應用。近日，中國科學院天津工業生物技術研究所在Journal of Pharmaceutical Analysis發表的論文“Automated and integrated ultrahigh throughput industrial strain screening enabled by acoustic-droplet-ejection mass spectrometry”提到利用自動化系統整合Echo? MS質譜系統，成功搭建了超高通量前處理與分析（Ultrahigh Throughput Pretreatment and Analysis，UTPA）平臺，并首次應用于生物發酵樣品，平臺的樣品前處理及質譜檢測全流程自動化實現了秒級尺度的速度，40分鐘內從348個菌株中篩選到9個綜合性能具有明顯優勢的谷氨酸生產菌株，與傳統的LC-MS方法相比（篩選時間約2天，7.5min/樣），篩選過程加快了72倍。

UTPA 平臺介紹

part 1UTPA平臺為自動化整合系統，由定制化的樣品前處理系統和聲波激發質譜（Echo? MS）系統兩部分組成（見下圖）。其中樣品前處理系統以貝克曼庫爾特生命科學Biomek i7液體處理工作站為核心（配備震蕩模塊和溫控模塊），在工作站左側和右側分別臺面整合儲板棧和正壓過濾模塊，可直接通過工作站內部抓手完成這3種設備之間的耗材快速轉移。同時在工作站右側連接1條傳輸軌道，便于工作站通過外置機械臂與高速冷凍離心機和聲波激發質譜系統的物理聯動，完成實驗板的來回自動轉移傳遞。聲波激發質譜系統由聲波液滴激發器（Echo）、開放端口探針采樣接口（OPI）和三重四極桿質譜儀（SCIEX 6500+）組成，通過聲波液滴激發器使孔內樣本以納升級進樣，檢測速度可達1s/樣。高度自動化的UTPA平臺可實現超高通量樣本前處理和檢測分析全流程自動化無人值守，且在該平臺上方法開發及數據處理簡單，成本低，相比較LC-MS檢測方法，聲波激發質譜系統不需要使用色譜柱，試劑消耗量也大為減少，平均每檢測2000個樣本可節約成本大于5000元。

圖1：UTPA平臺裝備布局

UTPA 平臺實驗流程

part 2研究人員使用UTPA平臺篩選了基于SCg5的谷氨酸高產菌株庫中的部分菌株，同時檢測了谷氨酸（主產物）、葡萄糖（底物）、谷氨酰胺（可能的干擾物和副產物）和乳酸（副產物）的濃度。菌株接種于96孔板培養后，放入UTPA平臺的儲板棧，同時將所需的試劑耗材放入儲板棧，運行實驗程序，平臺將自動化執行菌株發酵液的前處理及檢測步驟，完成菌株篩選。具體實驗流程如下圖：

圖2：UTPA平臺工作流程

整個測試流程中，1塊384孔板樣本的前處理時間不到20min。聲波激發質譜系統可以對檢測樣本設置不同滯留時間，每個樣本進樣檢測所需時間波動在1-3s，384個樣本檢測大約需要7-20min。本實驗對聲波激發質譜系統做了參數優化以提高檢測靈敏度和盡量減少干擾，如優化了MRM離子對參數，載液組成以及流速等，在此優化設置下384個樣本檢測分析時間需要20.2min，因此測試全流程完成1塊384孔板的樣本需要40min，平均每個樣本耗時6.25s。使用平臺執行多塊384孔板運行時，系統軟件會對不同板之間的流程自動做時序優化，縮短多塊板的全流程時間，第一塊384孔板在聲波激發質譜系統檢測的同時，第二塊板的樣本正被放于前處理系統執行前處理步驟，2板之間可以優化節約20min，1天時間可以處理71塊384孔板，通量可高達27000+個樣本/天。

研究者參照工業生物分析方法驗證指導原則使用UTPA平臺先針對谷氨酸、葡萄糖、谷氨酰胺和乳酸這4種化合物進行方法學驗證，然后開展了篩選實驗。實驗設計了更科學的多指標評價策略，不單單只根據主產物的濃度來挑選陽性菌株，還綜合考慮了底物-產物的轉化率，因為底物(通常是葡萄糖)在谷氨酸等大宗化學品生產中占據了50%以上的生產成本。根據最大化谷氨酸濃度和轉化率，同時最小化副產物乳酸和谷氨酰胺產量的評價策略，從348個菌株篩選出了9個綜合性能具有明顯優勢的谷氨酸生產菌株（見下圖），把陽性率從單一指標評價篩出的14.9% (52/348)降低到2.6% (9/348)，大大減少了進一步使用更大規模生物反應器復篩的工作量和時間。

圖3：基于UTPA平臺的谷氨酸高產菌株篩選

搭配自動化系統來完成前端樣本處理能完美實現下游質譜檢測的超高通量，UTPA平臺成為此類自動化整合系統的典范，它實現了全流程自動化無人值守，不限體系（酶反應、發酵液、化學反應…），不限菌種（大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、釀酒酵母…）和不限檢測物質（氨基酸、有機酸、單糖、多糖…）。UTPA是首個實現樣品前處理與檢測分析全部過程達秒級水平的自動化分析平臺，首次應用于合成生物學領域，隨著應用的深入，將顯著縮短合成生物學DBTL循環周期，加快生命科學研究、細胞工廠/酶以及生物工藝的開發。

 ● 參考文獻： 

Zhidan Zhang, Chao Zhang, Xu Zhang, Jiuzhou Chen, Ningyun Cai, Shasha Zhong, Zhibo Han, Yan Zhu, Ping Zheng, Jibin Sun, Changxiao Li. Automated and integrated ultrahigh throughput industrial strain screening enabled by acoustic-droplet-ejection mass spectrometry, Journal of Pharmaceutical Analysis, 2024文獻鏈接：10.1016/j.jpha.2024.02.003

 ● 特別感謝論文第一作者張志丹老師幫忙審核這篇文稿。