Elsevier

SLAS Technology

Volume 25, Issue 5, October 2020, Pages 411-426
SLAS Technology

Review
Role of Digital Microfluidics in Enabling Access to Laboratory Automation and Making Biology Programmable

https://doi.org/10.1177/2472630320931794Get rights and content
Under a Creative Commons license
open access

Abstract

Digital microfluidics (DMF) is a liquid handling technique that has been demonstrated to automate biological experimentation in a low-cost, rapid, and programmable manner. This review discusses the role of DMF as a “digital bioconverter”—a tool to connect the digital aspects of the design–build–learn cycle with the physical execution of experiments. Several applications are reviewed to demonstrate the utility of DMF as a digital bioconverter, namely, genetic engineering, sample preparation for sequencing and mass spectrometry, and enzyme-, immuno-, and cell-based screening assays. These applications show that DMF has great potential in the role of a centralized execution platform in a fully integrated pipeline for the production of novel organisms and biomolecules. In this paper, we discuss how the function of a DMF device within such a pipeline is highly dependent on integration with different sensing techniques and methodologies from machine learning and big data. In addition to that, we examine how the capacity of DMF can in some cases be limited by known technical and operational challenges and how consolidated efforts in overcoming these challenges will be key to the development of DMF as a major enabling technology in the computer-aided biology framework.

摘要

数字微流控(DMF)是一种液体处理技术,已被证明能够以低成本、快速且可编程的方式实现生物实验的自动化。本篇综述讨论了DMF作为一种“数字生物转换器”的作用,这是一种将设计-构建-学习周期的数字方面与实验的物理执行相联系的工具。我们通过对多个应用领域的综述证明了DMF作为数字生物转换器的效用,这些领域分别为基因工程、测序和质谱分析的样品制备,以及基于酶、免疫和细胞的筛选试验。这些应用表明,DMF作为一种集中执行平台在生产新生物和生物分子的完全集成管道中具有巨大潜力。

在本文中,我们讨论了DMF设备在这种管道中的功能如何高度依赖于与来自机器学习和大数据的不同传感技术和方法的集成。

此外,我们还研究了在某些情况下DMF的能力如何受到已知的技术和操作挑战的限制,以及在克服这些挑战方面的共同努力将如何成为开发DMF作为计算机辅助生物学框架中的主要赋能技术的关键。

抄録

デジタルマイクロフルイディクス(digital microfluidics:DMF)は、低コストかつ迅速でプログラム可能な方法により生物学的な実験を自動化できることが実証されている液体処理技術である。本レビューでは、「デジタルバイオコンバータ」としての、つまりデザイン・ビルド・ラーンのサイクルのデジタル的な側面と自然科学に即した実験の実施とつなぐツールとしてのDMFの役割を検討する。このデジタルバイオコンバータとしてのDMFの有用性を実証するため、複数の用途について、すなわち遺伝子工学の配列決定や質量分析、また酵素系、免疫系、細胞系のスクリーニング試験の試料調製についてレビューする。これらの用途から、DMFは、新規の有機体や生体分子の産生用に完全統合されたパイプラインにおいて、集中型の実行プラットフォームのような重大な役割を潜在的に担っていることが明らかになる。本稿では、そのようなパイプライン内でのDMFのデバイスの機能が、機械学習およびビッグデータとは異なるセンシングの技術と方法論との統合にいかに大きく左右されるのかを検討する。加えて、状況次第でDMFのキャパシティが技術・操作上の既知の課題によってどの程度制約されうるかという点や、その課題を克服していく中での取り組みを整理して統合することが、 コンピュータを利用した生物学のフレームワークの主要なイネーブリングテクノロジーであるDMFの発展にとっていかに重要であるかという点についても考察する。

초록

디지털 미세유체(DMF)는 생물학 실험이 신속하고 프로그래밍이 가능한 방식으로 저비용 자동화될 수 있다는 것을 입증한 액체 처리 기술이다. 이 리뷰 논문은 설계-제조-학습 사이클의 디지털 측면을 실험의 물리적 실행과 연결하는 도구인 ‘디지털 생물전환기(digital bioconverter)’로서 DMF의 역할을 논의한다. 디지털 생물전환기로서 DMF의 유용성을 입증하기 위해 유전 공학, 염기서열 분석과 질량 분석을 위한 표본 제작, 효소 스크리닝, 면역 스크리닝, 세포 기반 스크리닝 분석과 같은 여러 응용 사례를 검토한다. 이러한 응용은 새로운 생물 및 생체분자의 생산을 위해 완전히 통합된 파이프라인의 중앙화된 실행 플랫폼으로서 DMF가 엄청난 잠재력을 가진다는 점을 보인다. 이 논문에서는 해당 파이프라인 내에서 DMF 장치의 기능이 다양한 센싱 기술과 머신 러닝 및 빅데이터 방법론과의 통합에 고도로 의존하는 방식에 대해 논의한다. 이외에도, 알려진 기술적, 운영상의 어려움으로 인해 일부 사례에서 어떻게 DMF의 성능이 제한되는지, 이를 극복하기 위한 협력적 활동이 DMF 개발에서 어떻게 컴퓨터 지원 생물학 프레임워크의 주요 실행 기술로서 핵심이 될 것인지를 점검한다.

Keywords

digital microfluidics
DMF
synthetic biology
digital biology
lab automation

Cited by (0)

*

These authors contributed equally to this work.