Arduino生物反應器讓家庭生物學實驗化為可能

八月 23, 2016
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早在多年之前,微生物學家和生物工程學家就運用生物反應器研究微生物,以及如何製造先驅化學物質以供藥用。生物反應器是供應細菌所需營養加以培育的裝置。以一個與我們生活切身的生物反應器為例,就是啤酒的發酵器。另外,以別的例子來說,還有用在藍綠藻上的光生物反應器。藍綠藻吸收空氣中的二氧化碳,藉由陽光進行光合作用,製造生質。最近代謝工程會運用合成生物技術,將細胞當中的碳流轉化,製造出有用的燃料。雖然生物反應器早在幾十年前就已經存在,市售品卻非常昂貴,運用範圍相當有限,無法靈活因應所有的需求。
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從生物反應器設計的觀點來看,1950年Novick和Szilard開發的「恆化器」(chemostat)就是個知名的例子。這2位物理學家將幫浦追加到培養容器當中,這樣就能不斷提供營養素,維持恆定的個體數量。這種「恆定狀態」相當重要,後來就成為突變研究的基礎。要是少了它,單憑數量有限的營養素就會讓細菌增殖,消耗營養素,最後就會造成壓力。
 
2013年,我偶然在學術期刊《自然遺傳學》(Nature Genetics)看到上面提及開發「morbidostat」的Roy Kishony教授。他引導我們的團隊運用Arduino開發各種生物反應器。當時在哈佛大學的Roy Kishony教授,現在隸屬於以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology),成為耐抗生素研究的先驅。耐抗生素是濫用抗生素所致,早已變成衛教上的大問題。morbidostat雖然是持續培養細菌用的裝置,卻會透過回饋演算法投藥,抑制微生物的成長。使用這個之後,當人類和動物體內使用兩種以上的抗生素時,就能在管理過的環境下調整細菌進化的情況。儘管他們使用低成本的零件以測量光學密度,不過整個系統也相當複雜,無法個別替每個反應器設計程式。
 
因此,我們團隊就開始製作生物反應器。結果做出來的東西成本相當低廉(1套組件100美金以下),性能卻高到蒙獲一流學術期刊報導,構造也十分簡單。這套生物反應器組件由培養容器、攪拌組件和光學密度計所組成。附有磁鐵的冷卻風扇兼具攪拌組件的功能,會將營養培養基和細菌混合均勻。LEO與光電晶體套組會運用細菌的光學吸收效應,以用來測量光學密度。壓電式微幫浦則會不斷注入營養培養基及抗生素。整個過程都由Arduino掌管。電源採用東芝的電源IC。為了檢測儀器是否能夠正常運作,我們進行為期10天的實驗,運用回饋演算法,逐漸增加藥物濃度,以便能夠觀察耐抗生素。雖然在基準實驗當中使用甲氧芐啶這種常見的抗生素,結果卻顯示出細菌擁有1000倍的耐藥性。
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(譯:李友君)
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