合成生物學(xué)研究工程化平臺的發(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。簡單來說，即推進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)線智能化，通過引進(jìn)各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備（如液體操作平臺、PCR?儀、酶標(biāo)儀、自動培養(yǎng)箱、離心機等），建立基于信息物理系統(tǒng)的車間級智能生產(chǎn)單元（如以機器手或傳送帶串聯(lián)），提高精準(zhǔn)制造、敏捷制造能力。更深入來說，是引入個性化定制與互聯(lián)工廠理念，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新，充分滿足研究者用戶多元化需求的同時，實現(xiàn)生命體的遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計、規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)。該類用于合成生物學(xué)研究的自動化設(shè)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(shè)立?3?個大型合成生物學(xué)研究中心，英國政府已經(jīng)資助?6?個大型合成生物學(xué)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(jìn)。在各大研究中心與學(xué)術(shù)機構(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)自動化設(shè)施平臺既用于加速學(xué)術(shù)研究，也用于推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展（表1）。許多企業(yè)也搭建了自己的自動化設(shè)施平臺，如美國?Amyris?公司、Ginkgo Bioworks?公司、Zymergen?公司、Transcriptic?公司等。這些設(shè)施平臺的規(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)計自動化裝載到活細(xì)胞中，并輔以高通量測試。工作流程往往都依照“設(shè)計—構(gòu)建—測試—學(xué)習(xí)”的循環(huán)來組織，以實現(xiàn)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(guī)模最大的計劃之一，自?2011?年?5?月啟動以來已累計部署經(jīng)費近?4?億美元。“生命鑄造廠計劃”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，將生物設(shè)計、研發(fā)、制造過程變成工程設(shè)計問題，通過對自然生物的操縱來獲取原創(chuàng)性新材料、新器件、新系統(tǒng)和新平臺，實現(xiàn)軍用高價值材料和設(shè)備的“按需設(shè)計與生產(chǎn)”。該研究計劃的最終目標(biāo)是壓縮生物設(shè)計、制造、測試周期和成本，實現(xiàn)生物元器件和生物制造平臺的模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，推動生物制造平臺質(zhì)的突破，追求在材料（如含氟聚合物、潤滑劑、對抗惡劣環(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，打造美國的戰(zhàn)略和經(jīng)濟優(yōu)勢。

“生命鑄造廠計劃”實施以來，取得的主要進(jìn)展包括：開發(fā)了新的生物合成計算機軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)將生物合成設(shè)計時間從以往的?1?個月縮短至?1?天，并能實現(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?個提高到?20?個的水平，錯誤率降低到原來的?1/4；實現(xiàn)了將多種新生物制品的設(shè)計、工程和生產(chǎn)提速?7.5?倍；實現(xiàn)了對乙酰氨基酚合成途徑的設(shè)計和制備。

“生命鑄造廠計劃”雖已取得多項重要進(jìn)展，可行性已得到初步驗證，但其工程化應(yīng)用仍存在諸多難點，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)無法合成、新分子結(jié)構(gòu)難以設(shè)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(xiàn)有制造能力。