Automazione NGS con Opentrons Flex: il futuro della library preparation è già qui

Il sequenziamento di nuova generazione: potenza e complessità al servizio della ricerca

Il Next-Generation Sequencing (NGS) ha rivoluzionato la biologia molecolare, rendendosi uno strumento imprescindibile in decine di contesti applicativi: dalla genomica oncologica e la medicina di precisione, alla microbiologia clinica, allo studio del transcriptoma, fino alla ricerca di base su varianti genetiche e profili di espressione.

Le potenzialità dell’NGS sono straordinarie: in una singola corsa è possibile sequenziare milioni di frammenti in parallelo, ottenendo una risoluzione e una profondità di analisi impossibili con le tecnologie precedenti. Questa capacità si traduce in opportunità concrete: identificazione di mutazioni somatiche rare, caratterizzazione di microbiomi complessi, profiling di miRNA per biomarker discovery, e molto altro.

Tuttavia, il valore clinico e scientifico di un esperimento NGS dipende in misura critica da uno step che precede il sequenziamento stesso: la library preparation. Questo processo multi-stadio prevede la frammentazione del DNA o dell’RNA, la riparazione delle estremità, la ligazione degli adattatori, l’amplificazione per PCR e i passaggi di purificazione intermedi. Si tratta di un workflow laborioso, ripetitivo e ad alto rischio di errore umano.

Le sfide principali della library preparation manuale

• Variabilità tra operatori: la qualità delle librerie dipende fortemente dall’abilità e dalla precisione del singolo operatore, generando risultati non sempre riproducibili tra run o tra laboratori diversi.
• Elevato hands-on time: preparare manualmente 96 campioni richiede ore di lavoro attivo al bancone, sottraendo tempo prezioso ad attività di analisi e interpretazione dei dati.
• Rischio di contaminazione: la manipolazione ripetuta di campioni aumenta il rischio di cross-contaminazione, con conseguenze potenzialmente gravi sulla qualità dei dati di sequenziamento.
• Difficoltà di scala: aumentare il throughput con metodi manuali è difficile e costoso in termini di risorse umane.
• Complessità del protocollo: ogni kit di library preparation prevede sequenze precise di incubazioni, lavaggi, trasferimenti e step enzimatici che richiedono attenzione costante.

La risposta a queste sfide è l’automazione. E nel panorama delle soluzioni disponibili, Opentrons Flex si distingue per accessibilità, flessibilità e performance.

Opentrons: democratizzare l’automazione di laboratorio

Fondata nel 2013 e attiva commercialmente dal 2015, Opentrons nasce con una missione precisa: rendere l’automazione di laboratorio accessibile a tutti i laboratorio. Oggi, con oltre 10.000 robot installati in 79 paesi, Opentrons è diventata un riferimento robusto nel mondo della liquid handling automatizzata.

Il cuore della filosofia Opentrons è l’approccio open: software open-source, protocolli liberamente scaricabili dalla libreria online, compatibilità con i reagenti di qualsiasi fornitore. Questo si traduce in una libertà d’uso che i sistemi proprietari tradizionali non possono offrire.

Opentrons Flex: la piattaforma di nuova generazione

Opentrons Flex è il robot di liquid handling pensato per i laboratori che vogliono scalare verso workflow ad alto throughput mantenendo la massima flessibilità. OpenTrons Flex introduce una serie di innovazioni hardware e software che lo posizionano come piattaforma di riferimento per le applicazioni NGS più impegnative.

Hardware avanzato:

• Tre formati di pipette intercambiabili: 1-canale, 8-canali e 96-canali, con range di volume da 1 a 1000 µL. Le pipette flex integrano sensori capacitivi per il rilevamento dei tip, sensori di umidità e temperatura, e calibrazione automatica guidata dal touchscreen.

• 12 posizioni principali sul deck + 4 posizioni di staging laterali per massimizzare la capienza.
• Gripper robotico integrato per il trasporto autonomo di piastre e tip rack tra le diverse posizioni del deck, eliminando la necessità di intervento manuale tra step di protocollo.
• Flex Stacker: sistema modulare di stoccaggio e distribuzione di piastre e tip rack, che consente di moltiplicare fino a 5x la capacità del deck e raggiungere throughput di 96 campioni in modalità walk-away mantenendo un ingombro decisamente ridotto rispetto a piattaforme tradizionali.

• Modulo HEPA/UV: filtrazione dell’aria e sterilizzazione UV del deck per applicazioni sensibili alla contaminazione.

Moduli integrabili:

• Thermocycler on-deck per PCR completamente automatizzata
• Heater-Shaker per incubazioni a temperatura controllata con agitazione orbitale
• Magnetic Block per workflow con bead magnetiche
• Temperature Module (4–95°C)
• Qualsiasi altro strumento compatibile con

Software accessibile:
Opentrons propone un ecosistema software pensato per diversi livelli di competenza: dalla Protocol Library con protocolli plug-and-play verificati, al Protocol Designer no-code drag-and-drop, fino a OpentronsAI per la creazione di protocolli via linguaggio naturale, e la Python API per la massima personalizzazione.

Figura 1. Crea workflow di automazione avanzati per il tuo Opentrons Flex grazie all’interfaccia intuitiva basata sul trascinamento degli elementi.

Figura 2. OpentronsAI consente ai ricercatori di scrivere i propri protocolli tramite semplici prompt in linguaggio naturale, generando automaticamente il codice corrispondente. È possibile inoltre simulare e verificare i protocolli direttamente in un’interfaccia tipo chat, oltre a modificare e visualizzare la mappa del deck, il tutto all’interno dell’ecosistema Opentrons, pensato per essere radicalmente accessibile.

Opentrons Flex nel workflow NGS: dal campione alla libreria pronta per il sequenziamento

L’Opentrons Flex NGS Workstation è la configurazione dedicata alla library preparation, disponibile in varianti standard e high-throughput (con pipetta 96-canali). Supporta workflow end-to-end che coprono frammentazione enzimatica, end repair, A-tailing, ligazione degli adattatori, purificazione con bead magnetiche, amplificazione PCR on-deck e normalizzazione delle librerie, tutto in un unico run automatizzato.

Kit certificati e validati su Opentrons Flex

Uno degli aspetti più rilevanti per i laboratori è la disponibilità di protocolli validati per i principali kit commerciali di library preparation. Di seguito una panoramica dei kit supportati con evidenza di performance:

QIAseq FX DNA Library Kit (QIAGEN) + QIAseq Library Normalizer

Workflow per WGS (whole genome shotgun) su campioni di DNA genomico da E. coli, DNA umano e comunità microbiche miste. Il protocollo automatizzato su Flex con due pipette 8-canali (cat. Opentrons 991-00116) o con pipetta 96-canali riduce drasticamente i tempi:

• Library prep: da 4–6 ore manuali a ~40 minuti di hands-on time per 96 campioni
• QC e normalizzazione: da 2–3 ore a ~10 minuti automatizzati

Le librerie ottenute mostrano alta resa (media 11–13 ng/µL per DNA umano e E. coli) e ottima uniformità. L’integrazione con il QIAseq Normalizer consente di ridurre la variabilità di concentrazione finale (CV da 33,85% a 13,53%), producendo librerie direttamente pronte per il sequenziamento su Illumina MiSeq e NextSeq.

QIAseq miRNA Library Kit (QIAGEN)

Workflow end-to-end per la preparazione di librerie da miRNA, particolarmente rilevante in contesti di biomarker discovery e ricerca sulle vescicole extracellulari. L’automazione su Opentrons Flex consente di processare fino a 48 campioni in un giorno lavorativo con soli 20 minuti totali di hands-on time, rispetto alle ~2 ore richieste manualmente.

Le librerie automatizzate mostrano qualità di sequenziamento eccellente: media di 5 milioni di UMI reads, 79% di reads annotate su miRBase, Q-score medio di 43 (accuratezza >99,99%). Aggiungendo il QIAseq Normalizer (cat. 180615), si risparmiano ulteriori 3 ore di hands-on nel workflow di normalizzazione.

Twist Library Preparation Enzymatic Fragmentation Kit 2.0 + Universal Adapter System (Twist Bioscience)

In partnership ufficiale con Opentrons, Twist Bioscience ha sviluppato un protocollo certificato per l’automazione della frammentazione enzimatica e della library preparation su Flex NGS Workstation. Per 8 campioni, il workflow automatizzato si completa in ~2 ore e 40 minuti con soli 30 minuti di hands-on time, contro i ~90 minuti richiesti manualmente.

I frammenti prodotti mostrano dimensione media di 328 bp (CV 3,36%) con resa media di 71,6 ng/µL, confermando elevata riproducibilità e uniformità. Il protocollo è scalabile fino a 24 campioni per run.

NEBNext Ultra II DNA / RNA Library Prep Kit (New England Biolabs)

Protocollo verificato da Opentrons per uno dei kit NGS più diffusi al mondo, disponibile nella libreria pubblica di Opentrons. Supporta fino a 24 campioni per run con PCR on-deck sul Thermocycler integrato.

Automazione NGS è alla portata di ogni laboratorio

Con Opentrons Flex, la library preparation NGS automatizzata cessa di essere un privilegio riservato e diventa accessibile a qualsiasi laboratorio di medie dimensioni. La combinazione di hardware modulare, software intuitivo, protocolli validati per i principali kit commerciali e la flessibilità di adattarsi a qualsiasi ulteriore esigenza o kit commerciale, oltra ad un supporto tecnico dedicato, rende Opentrons Flex la scelta ideale per chi vuole aumentare il throughput, migliorare la riproducibilità e ridurre i costi per campione del proprio workflow NGS.