合成生物學(xué)研究工程化平臺(tái)的發(fā)展案例

生命體的工程化大批量合成，與輕工業(yè)中家用電器和電子等離散產(chǎn)品的生產(chǎn)制造有一定相似性，因此這些領(lǐng)域的智能制造、智能工廠理念被引入到合成生物學(xué)研究中。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即推進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)線智能化，通過(guò)引進(jìn)各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備（如液體操作平臺(tái)、PCR?儀、酶標(biāo)儀、自動(dòng)培養(yǎng)箱、離心機(jī)等），建立基于信息物理系統(tǒng)的車間級(jí)智能生產(chǎn)單元（如以機(jī)器手或傳送帶串聯(lián)），提高精準(zhǔn)制造、敏捷制造能力。更深入來(lái)說(shuō)，是引入個(gè)性化定制與互聯(lián)工廠理念，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開(kāi)展大規(guī)模個(gè)性定制模式創(chuàng)新，充分滿足研究者用戶多元化需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生命體的遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。該類用于合成生物學(xué)研究的自動(dòng)化設(shè)施是工程化平臺(tái)的核心，亦稱為生物鑄造廠（BioFoundry）。

國(guó)外案例

至今為止，美國(guó)政府已支持設(shè)立?3?個(gè)大型合成生物學(xué)研究中心，英國(guó)政府已經(jīng)資助?6?個(gè)大型合成生物學(xué)研究中心。德國(guó)、荷蘭、日本、新加坡、澳大利亞等國(guó)也在緊密跟進(jìn)。在各大研究中心與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中，一般都搭建有生物鑄造廠作為核心。這些合成生物學(xué)自動(dòng)化設(shè)施平臺(tái)既用于加速學(xué)術(shù)研究，也用于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（表1）。許多企業(yè)也搭建了自己的自動(dòng)化設(shè)施平臺(tái)，如美國(guó)?Amyris?公司、Ginkgo Bioworks?公司、Zymergen?公司、Transcriptic?公司等。這些設(shè)施平臺(tái)的規(guī)模不一，功能大都是幫助研究人員將特定的基因線路設(shè)計(jì)自動(dòng)化裝載到活細(xì)胞中，并輔以高通量測(cè)試。工作流程往往都依照“設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測(cè)試—學(xué)習(xí)”的循環(huán)來(lái)組織，以實(shí)現(xiàn)工程化的海量試錯(cuò)。

其中，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助的“生命鑄造廠（Living Foundries）計(jì)劃”是實(shí)施最早、規(guī)模最大的計(jì)劃之一，自?2011?年?5?月啟動(dòng)以來(lái)已累計(jì)部署經(jīng)費(fèi)近?4?億美元。“生命鑄造廠計(jì)劃”的目標(biāo)是利用合成生物學(xué)技術(shù)，以自然界已有的自然物質(zhì)或合成物質(zhì)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于生物體的新型制造平臺(tái)，將生物設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造過(guò)程變成工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)自然生物的操縱來(lái)獲取原創(chuàng)性新材料、新器件、新系統(tǒng)和新平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軍用高價(jià)值材料和設(shè)備的“按需設(shè)計(jì)與生產(chǎn)”。該研究計(jì)劃的最終目標(biāo)是壓縮生物設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試周期和成本，實(shí)現(xiàn)生物元器件和生物制造平臺(tái)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，推動(dòng)生物制造平臺(tái)質(zhì)的突破，追求在材料（如含氟聚合物、潤(rùn)滑劑、對(duì)抗惡劣環(huán)境的特殊涂層）、傳感（如自我修復(fù)和自我再生系統(tǒng)）、制造（包括已知分子和新分子、半導(dǎo)體器件等的生物制造）等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，打造美國(guó)的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

“生命鑄造廠計(jì)劃”實(shí)施以來(lái)，取得的主要進(jìn)展包括：開(kāi)發(fā)了新的生物合成計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)將生物合成設(shè)計(jì)時(shí)間從以往的?1?個(gè)月縮短至?1?天，并能實(shí)現(xiàn)端到端的監(jiān)控；構(gòu)建了大規(guī)模基因網(wǎng)絡(luò)，以該網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)初步驗(yàn)證生物制造的正向工程能力；建立了大規(guī)模?DNA?組裝新方法，將體外準(zhǔn)確裝配的?DNA?片段數(shù)從此前最高?10?個(gè)提高到?20?個(gè)的水平，錯(cuò)誤率降低到原來(lái)的?1/4；實(shí)現(xiàn)了將多種新生物制品的設(shè)計(jì)、工程和生產(chǎn)提速?7.5?倍；實(shí)現(xiàn)了對(duì)乙酰氨基酚合成途徑的設(shè)計(jì)和制備。

“生命鑄造廠計(jì)劃”雖已取得多項(xiàng)重要進(jìn)展，可行性已得到初步驗(yàn)證，但其工程化應(yīng)用仍存在諸多難點(diǎn)，面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)包括已知分子結(jié)構(gòu)難以快速改進(jìn)、某些分子結(jié)構(gòu)無(wú)法合成、新分子結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)等，總體上仍處于前沿探索階段。未來(lái)一旦取得突破，可顯著提升現(xiàn)有制造能力。