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在微生物發酵研究領域，如何快速、高效地獲取微生物在不同條件下的基因表達信息，一直是科研人員關注的重點。今天要給大家介紹一項刊登于Microorganisms的研究，它通過自動化液體工作站，將RNA-Seq樣本制備與微型平行生物反應器相結合，實現了高通量的差異基因表達研究，為生物過程開發帶來了新的思路和方法。

研究背景

生物過程開發中，確定生產菌株的最佳培養條件十分關鍵。平行生物反應器系統結合自動化和微型化方法，能加速這一進程。而RNA-Seq技術可從分子層面了解微生物生產菌株，但此前自動化、高通量的批量RNA-Seq設置尚未見報道。本研究旨在填補這一空白，利用釀酒酵母，在微型平行攪拌罐生物反應器中，結合自動化RNA-Seq樣本制備流程，研究不同碳源對其基因表達的影響。

實驗方法

1. 實驗菌株和培養基：使用野生型釀酒酵母菌株（DSM No. 1333），菌種培養基于YPD培養基，平行攪拌罐生物反應器培養使用特定成分的培養基，添加抗生素防止污染。

2. 平行攪拌罐生物反應器：采用24攪拌罐生物反應器單元，工作體積11mL，集成到液體處理系統中，該系統配備多種功能模塊，可實現自動化操作。溫度、pH、溶解氧等參數精準控制，還能定期采樣進行光密度（OD600）測量。

3. 自動化RNA-Seq樣本制備流程：基于液體處理站（LHS）開發并優化了24個反應器的自動化RNA-Seq樣本制備流程。當葡萄糖培養的攪拌罐反應器平均OD600超過2.5時，觸發樣本制備流程。流程包括酶解細胞裂解、總RNA提取、核酸濃度歸一化和cDNA文庫制備，且與發酵過程并行進行。其中，RNA提取使用特定試劑盒，cDNA文庫制備自動化完成，不過樣本收集、移液器吸頭補充以及最終的文庫定量和上樣等步驟需手動操作。

4. RNA-Seq數據分析：測序數據經一系列軟件處理，包括堿基識別、讀長篩選、與參考轉錄組比對等。通過tximport匯總蛋白編碼轉錄本，使用edgeR進行差異基因表達分析，以特定閾值篩選差異表達基因，最后用clusterProfiler進行基因集富集分析。

實驗優勢：自動化液體工作站的關鍵作用

1. 高通量與高效性：自動化液體工作站能同時操作24個平行生物反應器，11.5小時內完成24個樣本的RNA提取和cDNA文庫制備，大大提高了實驗通量，相比傳統方法節省大量時間。讓科研人員能夠在更短的時間內獲取大量寶貴數據。

2. 精準操作與穩定運行：液體工作站配備多種功能模塊，可精準控制實驗條件，Hamilton配置的生物反應器可以精準設置控制如溫度、攪拌速度、pH等實驗條件。在樣本制備過程中，對不同體積試劑的移液操作也能保證較高的準確性和精度，減少實驗誤差。

3. 實現流程整合：它將發酵過程與RNA-Seq樣本制備流程整合在同一平臺，避免了樣本轉移帶來的誤差和污染風險，還能及時處理RNA樣本，減少細胞過程變化對實驗結果的影響。一個功能完備的實驗系統。工作站上配備的多種功能模塊，從試劑添加、樣本混合到反應條件控制，都能一站式完成。這種高度集成化的設計，不僅節省了實驗空間，還大大提高了實驗操作的便捷性和連貫性，讓科研人員能夠更專注于實驗核心環節。這也歸功于BioReactor生物反應器的小巧以及工作站可整合性。

實驗結果

1. 不同碳源下的生長情況：釀酒酵母在不同碳源下生長模式各異。葡萄糖、果糖和蔗糖為碳源時，前期呈指數增長，耗盡后利用乙醇繼續生長；半乳糖和甘露糖為碳源時，延遲期長且生長緩慢；丙酮酸為碳源時，生長受限。

2. RNA和cDNA濃度：RNA提取后，不同樣本RNA產量有差異，丙酮酸培養的樣本RNA產量顯著較低，葡萄糖培養的樣本RNA產量較高。cDNA產量在不同生物重復間差異較大，主要受低體積試劑移液準確性影響。

3. 測序結果與差異基因表達分析：測序得到大量高質量讀長，經篩選和比對，確定了不同條件下的差異表達基因。如葡萄糖與丙酮酸比較，有大量差異表達基因，涉及多種代謝途徑；葡萄糖與果糖比較，差異表達基因較少，這與預期細胞反應相符。

研究展望

本研究建立的高通量實驗方法為生物反應器培養的分子水平評估提供了有效手段，但仍有改進空間。后續可進一步優化液體類開發，采用例如Hamilton Magpip移液通道，提高通量減少試劑耗材成本；還可拓展該方法，使其適用于更多微生物，推動生物過程開發的發展。

這項研究借助自動化液體工作站，為微生物發酵研究帶來了新突破。相信在未來，隨著技術的不斷優化和完善，它將在生物工程領域發揮更大的作用，助力科研人員探索更多生命奧秘。

關于Hamilton生物反應器

Bioreactor是基于Hamilton STAR液體處理平臺與2mag合作設計開發的生物反應器。在一個非常緊湊的空間里，多達48個生物反應器可并行運行，并根據需要進行自動進料、pH調節、誘導和采樣。與STAR液體處理工作站無縫集成，高氧氣傳輸率和功率輸入可與實驗室規模的生物反應器相媲美。

參考文獻

[1] Blums, K., Herzog, J., Costa, J., Quirico, L., Turber, J., & Weuster-Botz, D. (2025). Automation of RNA-Seq Sample Preparation and Miniaturized Parallel Bioreactors Enable High-Throughput Differential Gene Expression Studies. Microorganisms,13(4),849.