合成生物學研究的工程化平臺

合成生物學研究工程化平臺的發展案例

生命體的工程化大批量合成，與輕工業中家用電器和電子等離散產品的生產制造有一定相似性，因此這些領域的智能制造、智能工廠理念被引入到合成生物學研究中。簡單來說，即推進生產設備與生產線智能化，通過引進各類符合生產所需的智能裝備（如液體操作平臺、PCR?儀、酶標儀、自動培養箱、離心機等），建立基于信息物理系統的車間級智能生產單元（如以機器手或傳送帶串聯），提高精準制造、敏捷制造能力。更深入來說，是引入個性化定制與互聯工廠理念，通過互聯網平臺開展大規模個性定制模式創新，充分滿足研究者用戶多元化需求的同時，實現生命體的遠程定制、異地設計、規模經濟生產。該類用于合成生物學研究的自動化設施是工程化平臺的核心，亦稱為生物鑄造廠（BioFoundry）。

國外案例

至今為止，美國政府已支持設立?3?個大型合成生物學研究中心，英國政府已經資助?6?個大型合成生物學研究中心。德國、荷蘭、日本、新加坡、澳大利亞等國也在緊密跟進。在各大研究中心與學術機構中，一般都搭建有生物鑄造廠作為核心。這些合成生物學自動化設施平臺既用于加速學術研究，也用于推動產業發展（表1）。許多企業也搭建了自己的自動化設施平臺，如美國?Amyris?公司、Ginkgo Bioworks?公司、Zymergen?公司、Transcriptic?公司等。這些設施平臺的規模不一，功能大都是幫助研究人員將特定的基因線路設計自動化裝載到活細胞中，并輔以高通量測試。工作流程往往都依照“設計—構建—測試—學習”的循環來組織，以實現工程化的海量試錯。

其中，美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助的“生命鑄造廠（Living Foundries）計劃”是實施最早、規模最大的計劃之一，自?2011?年?5?月啟動以來已累計部署經費近?4?億美元?！吧T造廠計劃”的目標是利用合成生物學技術，以自然界已有的自然物質或合成物質為基礎，構建基于生物體的新型制造平臺，將生物設計、研發、制造過程變成工程設計問題，通過對自然生物的操縱來獲取原創性新材料、新器件、新系統和新平臺，實現軍用高價值材料和設備的“按需設計與生產”。該研究計劃的最終目標是壓縮生物設計、制造、測試周期和成本，實現生物元器件和生物制造平臺的模塊化標準化設計，推動生物制造平臺質的突破，追求在材料（如含氟聚合物、潤滑劑、對抗惡劣環境的特殊涂層）、傳感（如自我修復和自我再生系統）、制造（包括已知分子和新分子、半導體器件等的生物制造）等領域的轉化應用，打造美國的戰略和經濟優勢。

“生命鑄造廠計劃”實施以來，取得的主要進展包括：開發了新的生物合成計算機軟件系統，該軟件系統將生物合成設計時間從以往的?1?個月縮短至?1?天，并能實現端到端的監控；構建了大規?；蚓W絡，以該網絡為基礎初步驗證生物制造的正向工程能力；建立了大規模?DNA?組裝新方法，將體外準確裝配的?DNA?片段數從此前最高?10?個提高到?20?個的水平，錯誤率降低到原來的?1/4；實現了將多種新生物制品的設計、工程和生產提速?7.5?倍；實現了對乙酰氨基酚合成途徑的設計和制備。

“生命鑄造廠計劃”雖已取得多項重要進展，可行性已得到初步驗證，但其工程化應用仍存在諸多難點，面臨的最大技術挑戰包括已知分子結構難以快速改進、某些分子結構無法合成、新分子結構難以設計等，總體上仍處于前沿探索階段。未來一旦取得突破，可顯著提升現有制造能力。