La plateforme robotique de culture Hamilton
Le robot culture est une plateforme unique intégrant un ensemble de 24 mini-réacteurs instrumentés (PolyBlock, HEL) et divers équipements nécessaires à l’automatisation des différentes étapes de l’étude de bioprocédés.
Cet outil, conçu sur mesure, est le fruit d’une étroite collaboration entre TWB, Hamilton et HEL. Il permet d’obtenir, entre autres, les conditions de culture optimales ou la souche la plus performante dans un temps jusqu’à 5 fois plus court qu’avec les outils conventionnels. L’automatisation permet également de réduire les incertitudes liées aux différents opérateurs.
La plateforme robotique vient d’être acquise par TWB pour compléter l’offre de service du plateau Biotransformation & culture, sous la responsabilité de Julien Cescut. Cette plateforme est adaptée à la culture microbienne et à la catalyse enzymatique.
La configuration mise en place prévoit de réaliser les précultures dans un lecteur de microplaque (Xenus, Safas). La croissance est alors suivie par la mesure de l’absorbance dans chaque puits. Lorsqu’un puits atteint une absorbance cible, le robot pipeteur prélève le contenu du puits et vient ensemencer le premier réacteur et ainsi de suite avec les 23 réacteurs suivants. Les mini-réacteurs consistent en une miniaturisation d’un réacteur de 2 L avec mesure et contrôle par des mini-sondes de la température, du pH, de la vitesse d’agitation, du débit d’air, de la concentration en oxygène. La croissance dans les réacteurs est suivie par des sondes de turbidité « in-line ». Chaque fermenteur est relié à deux voies d’ajout autorisant des modes de culture fed-batch. La plateforme est conçue de façon à réaliser des prélèvements automatisés (jusqu’à un prélèvement toutes les 20 min sur les 24 réacteurs). Le robot pipeteur prélève un échantillon dans un réacteur et vient immédiatement le déposer dans une microplaque conservée à -20°C. L’utilisation de solutions de « quenching » permet de figer le métabolisme des cellules autorisant des études de métabolomique et de transcriptomique. La centrifugeuse réfrigérée est utilisée pour la préparation automatisée des échantillons pour l’analyse métabolique des surnageants en uPLC. En sortie du système, l’expérimentateur dispose d’un ensemble de 24 cinétiques avec tous les paramètres de fermentation (T°, pH, pO2, RPM, Qair, turbidité) couplé potentiellement à des cinétiques de consommation de substrat ou de production de molécules d’intérêt ou à des cinétiques transcriptomiques.
La plateforme a été pensée pour réaliser des plans d’expériences. En une seule expérimentation, le couple optimal pH/T° d’un bioprocess peut par exemple être obtenu. L’architecture des réacteurs rend leur montée en échelle réaliste. L’utilisation de réacteurs en verre couplés à des platines en acier inoxydable autorise l’utilisation de solvants agressifs lors d’essais de catalyse. Par ailleurs, le concept de réacteur réutilisable permet d’abaisser les coûts de fonctionnement.
La qualité du contrôle des conditions environnementales et la richesse des informations obtenues sont le gage de la robustesse des conclusions qui peuvent en être tirées.
La puissance du logiciel pilotant le robot et les automates de fermenteurs autorise une grande flexibilité de programmation de l’outil voire l’intégration de nouveaux analyseurs (cytomètre, analyse des gaz) ou d’actionneurs (pompe supplémentaire pour la réalisation de continus).
Exemples d’applications-types :
- Crible et caractérisation de dizaines de souches
- Optimisation des conditions environnementales par plans d’expérience
- Essai de robustesse de procédé
- Evolutions de souche en parallèle.
Contact : Julien Cescut (jcescut@insa-toulouse.fr)
Hamilton’s robotic culture platform
The culture robot is a unique platform integrating a set of 24 instrumented minireactors (PolyBlock, HEL) and various items of equipment necessary for the automation of the different stages of the study of bioprocesses.
This custom designed tool is the result of a close collaboration between TWB, Hamilton and HEL. It enables one to achieve, among other things, optimal culture conditions or to obtain the most successful strain in a time up to 5 times shorter than with conventional tools. Automation also reduces uncertainties related to the different operators.
The robotic platform has recently been acquired by TWB to complete the service offer of the Biotransformation & Culture facility, under the responsibility of Julien Cescut. This platform is well suited for microbial culture and enzyme catalysis.
The configuration set up provides for precultures in a microplate reader (Xenus, Safas). The growth is then monitored by the measurement of absorbance in each well. When a well reaches a target absorbance, the pipetting robot withdraws the contents of the well and seeds the first reactor, and so on with the 23 following reactors. The minireactors consist in a miniaturization of a 2 L reactor with measurement and control by mini-probes of the temperature, pH, agitation speed, air flow, and oxygen concentration. Growth in the reactors is monitored by « in-line » turbidity probes. Each fermenter is connected to two feeding ways allowing fed-batch culture modes. The platform is designed to perform automated sampling (up to one sampling every 20 min on the 24 reactors). The pipetting robot collects a sample in a reactor and immediately places it in a microplate maintained at -20°C. The use of quenching solutions enables the fixing of cell metabolism, thereby allowing for studies of metabolomics and transcriptomics. The refrigerated centrifuge is used for the automated preparation of samples for the metabolic analysis of supernatants in uPLC. At the system output, the experimenter disposes of a set of 24 kinetics with all the fermentation parameters (T°, pH, pO2, RPM, Qair, turbidity) potentially combined with kinetics of substrate consumption or of production of molecules of interest or with transcriptomic kinetics.
The platform was designed to implement experimental designs (Design of Experiments). In a single experimentation, the optimal pH/T° combination of a bioprocess can for example be obtained. The architecture of reactors makes their scaling up realistic. The use of glass reactors combined with stainless steel plates allows for the use of aggressive solvents during catalysis tests. Moreover, the concept of reusable reactor enables the reduction of operational costs.
The quality of environmental condition control and the wealth of information obtained guarantee the robustness of conclusions that can be drawn from them.
The power of the software which controls the robot and the automatic fermenters allows a high level of programming flexibility of the tool or even the integration of new analysers (cytometer, gas analysis) or actuators (additional pump for continuous cult ures).
Examples of typical applications:
- Screen and characterization of dozens of strains
- Optimization of environmental conditions by experimental designs
- Process robustness test
- Strain evolutions in parallel.
Contact: Julien Cescut (jcescut@insa-toulouse.fr)
