合成生物学研究的工程化平台

国内案例

英美等国现有的生物铸造厂仍然存在一定的局限性，包括复杂线路设计能力不强、底盘细胞单一、大片段 DNA 的制造成本高、高通量测试手段少、与下游应用衔接不紧密等。许多研发需求仍未能满足，领域的发展仍面临障碍。针对现有生物铸造厂的不足，我国做出了自己的部署。

中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）牵头建设“合成生物研究重大科技基础设施”（以下简称“设施”）项目，该设施项目于 2013 年被列入《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030 年）》的总体部署，并于 2018 年 1 月获深圳市发改委批复立项。设施计划投入 9.4 亿元人民币，规模上的大幅提升将有效解决小型设施面临的底盘细胞单一、DNA 与耗材成本高等不足，并更有利于开展生命体的大规模个性定制，服务于国内外研究者的多元化用户需求，实现生命体的远程定制、异地设计、规模经济生产。设施旨在为合成生物学中的海量工程化试错提供关键科学手段，推动我国生命科学技术能力实现从认识生命表象到掌握复杂生命本质、从定性描述向定量预测、从单一维度向多维度生物功能检测、从单一层次向多层次生物仪器开发、从基础研究向医学转化应用 5 个方面的战略转变。设施建设的科学目标，是围绕如何实现设计合成可预测的生命体这一关键科学问题，秉持模块化的理念，将实验对象、方法、技术等标准化，通过不断的闭环的工程试错，提升理性设计能力。设施内利用智能化、自动化和高通量的设备，搭建多条用于生物元件、生物器件、复杂网络、人工细胞器、人工细胞、多细胞人工体系等多维度人造生命的自动化合成测试生产线，各条生产线之间有机协同，并结合设计软件与机器学习的深度研发，建立合成生物理性设计与工程化试错相结合的核心平台。在该设施的支撑下，有助于我国科学家做出具突破意义的标志性工作，快速获取从头设计的大型基因组与非天然元件；完善技术方法体系，增强元件标准化、通用性；围绕需求打通从元件到基因线路、生物装置和人造生命的一体化创新路径，形成颠覆性产业技术。

中国科学院天津工业生物技术研究所（以下简称“天津工生所”）牵头建设的以二氧化碳生物转化为目标的合成生物科教基础设施，已被国家发改委批复纳入中国科学院“十三五”科教基础设施项目建设的项目库。“人工生物创制及关键技术研发平台”将形成“学习设计—合成装配—测试分析”的工程化循环流程，其核心建设内容是合成生物自动化工作站——工作站将围绕合成生物学发展的核心能力问题，以轨道机器人、定点机器人等为核心，整合各种操作装备、分析装备，形成集成化自动化装置系统，高通量、自动化地完成样品处理、DNA 合成组装，以及基因组规模化编辑、筛选和评价等设定的标准化工作任务；通过自动化物流机器人实现高通量的样品“流”管理与统筹；通过机器人与人力的“双轨制”实现人工智能与人类智能的协同工作；通过信息技术将获得的不同类型的大数据进行整合，为智能化机器学习提供数据基础。“人工生物创制及关键技术研发平台”建成后，以二氧化碳生物转化为模型，可快速、高效地创造具有目标特性的合成生物，“合成生物”定制能力达到国际先进水平，支撑基础性、前瞻性、引领性的合成生物关键技术创新，满足企业定制需求，提供创新创业服务，为培育发展我国合成生物产业提供支撑。