Manipulação genética em alta capacidade de organismos multicelulares usando um robô de microinjeção embrionária guiado por visão computacional

Resumo A microinjeção é uma técnica utilizada para transgenia, mutagênese, marcação celular, criopreservação e fertilização in vitro em múltiplos organismos unicelulares e multicelulares. A microinjeção requer habilidades especializadas e envolve etapas preparatórias limitantes e trabalhosas. Aqui, construímos um robô generalizado guiado por visão computacional que automatiza totalmente o processo de microinjeção em embriões de drosófila (Drosophila melanogaster) e zebrafish (Danio rerio). O robô utiliza modelos de aprendizado de máquina treinados para detectar embriões em imagens de placas de ágar e identificar locais anatômicos específicos dentro de cada embrião em espaço 3D usando microscópios de visão dupla. O robô então realiza microinjeções em série em cada embrião detectado. Construímos e utilizamos três desses robôs para microinyectar automaticamente dezenas de milhares de embriões de drosófila e zebrafish. Otimizamos sistematicamente a microinjeção robótica para cada espécie e realizamos transgenia de rotina com proficiência comparável a praticantes humanos altamente qualificados, enquanto alcançamos aumentos de até 4× na capacidade de microinjeção em drosófila. O robô foi utilizado para microinyeção de lotes de mais de 20.000 plasmídeos barcoded exclusivamente em 1.713 embriões em 2 dias para gerar rapidamente mais de 400 linhas transgênicas únicas de drosófila. Este experimento possibilitou uma nova medição do número de eventos independentes de integração da linha germinativa por embrião injetado com sucesso. Finalmente, mostramos que a microinjeção robótica de agentes crioprotetores em embriões de zebrafish melhora significativamente as taxas de vitrificação e a sobrevivência de embriões criopreservados após descongelamento em comparação com microinjeção manual. Antecipamos que o robô pode ser utilizado para realizar microinjeção para manipulação em todo o genoma e criopreservação em grande escala em uma ampla gama de organismos.