實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化為合成生物學(xué)研究裝上“加速器”

更新時(shí)間：2022-07-22

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合成生物學(xué)是指將工程科學(xué)的“設(shè)計(jì)—合成—測(cè)試—學(xué)習(xí)"（DBTL）理念引入生命科學(xué)，完成具有特定功能的人工生命系統(tǒng)的構(gòu)建。

合成生命體有高度復(fù)雜性，目前缺乏可預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)（或理性設(shè)計(jì)）的指導(dǎo)。這決定了其需要海量的工程化試錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)，即需要快速、低成本、多循環(huán)地完成DBTL這一閉環(huán)。

DBTL循環(huán)

PART1

合成生物學(xué)困境

缺乏理性設(shè)計(jì)和元件

比如，利用分子元件創(chuàng)建基因線路時(shí)，因?qū)蚓€路核心設(shè)計(jì)原理理解有限，且目前仍缺乏元件，人工設(shè)計(jì)的線路很難達(dá)到預(yù)期，往往需要數(shù)周或數(shù)月進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。

應(yīng)對(duì)這一難題的有效手段，是工程化、大批量測(cè)試多種元件及多種線路組合，獲取海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析改進(jìn)，以深入掌握基因線路的設(shè)計(jì)原理，同時(shí)積累大批元件，讓線路的設(shè)計(jì)變得更加直接和可預(yù)測(cè)，提高研究效率。

但是，海量的工程化試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)出傳統(tǒng)的人工操作實(shí)驗(yàn)范疇，因而亟需一種變革性的工程化研究平臺(tái)。

PART2

生物鑄造廠

提高理性設(shè)計(jì)合成生命系統(tǒng)的能力

類似于工業(yè)的智能制造，在合成生物學(xué)中，也可采用實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的解決方案，完成生命體的工程化大批量合成，像該類用于合成生物學(xué)研究的自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施，是上述工程化研究平臺(tái)的核心，常被稱為生物鑄造廠。

合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)層級(jí)結(jié)構(gòu)

生物鑄造廠在合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)里，屬于軟件/硬件層，它能提升合成生物實(shí)驗(yàn)對(duì)象、方法、技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化水平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的DBTL閉環(huán)運(yùn)行與海量工程試錯(cuò)，從而不斷提高理性設(shè)計(jì)合成生命系統(tǒng)的能力。

PART3

需求實(shí)例

合成生物學(xué)自動(dòng)化

近年來，合成生物學(xué)行業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需求與日俱增。各政府早在四年前就紛紛布局生物鑄造廠，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也表達(dá)了對(duì)自動(dòng)化的訴求，不少領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究結(jié)果更是佐證了這點(diǎn)。

2018年數(shù)據(jù)：國內(nèi)國外布局生物鑄造廠

學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)：建設(shè)理論 (理性設(shè)計(jì))、技術(shù) (合成能力)、工程 (自動(dòng)化平臺(tái)) 三者相輔相成的合成生物學(xué)體系，以推動(dòng)合成生物學(xué)研究的定量化變革

工業(yè)界觀點(diǎn)：生物技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)，創(chuàng)造生物細(xì)胞執(zhí)行各類目標(biāo)功能

研究結(jié)果：通過構(gòu)建和測(cè)試合成生物學(xué)的自動(dòng)化加速生物燃料研究中的菌株工程

PART 4

合成生物學(xué)賽道

匯像有助力的實(shí)力

匯像目前的自動(dòng)化水平正逐步從單機(jī)自動(dòng)化向智能實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)變。此前已積累多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化流程落地的案例，為多位生物領(lǐng)域的客戶做過定制的自動(dòng)化解決方案，還完了國內(nèi)多個(gè)智能實(shí)驗(yàn)室的搭建。

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化整體解決方案

而在生物鑄造廠，構(gòu)建合成生物學(xué)智能化實(shí)驗(yàn)室，將有諸多優(yōu)勢(shì)：

自動(dòng)化、高通量的設(shè)備平臺(tái)，提高研發(fā)效率
標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)方法、算法和流程，提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性、可比性
實(shí)驗(yàn)所積累的過程數(shù)據(jù)質(zhì)量高
數(shù)據(jù)處理工具可對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置編程，并通過整理實(shí)驗(yàn)元數(shù)據(jù)，確保了錯(cuò)誤的可追溯性，便于調(diào)試
統(tǒng)計(jì)分析軟件通過解析的數(shù)據(jù)提供未來實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化線索，實(shí)現(xiàn)DBTL循環(huán)的閉環(huán)

有了多方位的技術(shù)和足夠的案例經(jīng)驗(yàn)，相信未來在合成生物學(xué)的賽道上，匯像將助各企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)一臂之力。

結(jié)語

綜上，生物鑄造廠的自動(dòng)化與數(shù)字化，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體的理性設(shè)計(jì)與可預(yù)測(cè)的合成。隨著合成生物學(xué)自動(dòng)化市場(chǎng)需求的增長，合成生物學(xué)行業(yè)與實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化行業(yè)的合作將愈發(fā)頻繁與密切，這將促進(jìn)兩個(gè)行業(yè)的共同成長，終實(shí)現(xiàn)合作共贏。