合成生物学的下一个十年：“智能”助推产业化

合成生物学的快速发展正在改变生物技术行业的产业布局。目前，合成生物技术已经广泛应用于食品、农业、医疗等多个领域。伴随我国《“十四五”生物经济发展规划》的颁布，被誉为“第三次生物科技革命”的合成生物学研究热度高涨，但当前构建合成生物系统的内在逻辑尚处于摸索阶段，整个合成生物学领域正处于发展初期，需要先进的使能技术及解决方案推动合成生物学产业快速发展。

为帮助广大用户及时了解合成生物学的市场概况、解决方案及相关活动，仪器信息网本次特别邀请了上海汉赞迪生命科技有限公司（以下简称“汉赞迪”）谈一谈他们的看法：

合成生物学是一门关于设计、改造和重新合成生命的交叉融合性学科。它以工程化理念对生物体进行有目标的设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的“人造生命”。由于生命体的高度复杂性，为达预定目标往往需要进行大量人工试错性实验，导致研究成本高、进展缓慢。自动化合成生物技术的发展结合标准化实验策略，高通量、低成本、多循环地完成“设计-构建-测试-学习（DBTL）”闭环，将有助于大幅度提高合成生物学的研究效率。

图1. 合成生物学DBTL工程化研究范式-“筛选，试错，迭代”的研究路径

我国合成生物学企业的产业链分布较完整，上、中、下游都已有企业布局。产业链上游企业主要提供合成生物学底层技术。产业链中游企业借鉴国外的模式，通过整合科研院所以及社会各界的学术资源，通过自动化、机器学习以及大量生物数据的汇聚来提高研究的发现、通量和产量，从而构建技术研发平台，为下游企业提供基于合成生物学的解决方案。产业链下游企业专注于产品，在产品生产过程中采用先进的生物工程技术，探索高效的生物合成方法，将合成生物制造应用于生物医药、农业、食品、化工、材料等领域。

高通量筛选，特别是超高通量筛选工具箱，对于充分发挥合成生物学定向进化的潜力至关重要。与奥林匹克格言“更高、更快、更强”类似，在速度、灵敏度、范围、广谱和效率等方面，筛选技术仍有很大的进步空间。多学科和跨学科的互补可能会加速方向演变的过程。例如，自动化和模块化集成系统显著降低了劳动力成本并提高了效率。更重要的是，随着人工智能的出现，计算机和实验筛选的结合将使筛选比传统策略“更智能”，是未来十年合成生物发展趋势。

图2. 机器学习和自动化以不同的方式改进基本的合成生物学DBTL循环

在合成生物学研究中，海量的工程化试错实验所需的样本数量远远超出依赖人工的研究范式能力范畴。传统利用移液器进行手动或者半自动的人工移液操作成为了快速高精度样品处理的瓶颈，难以满足科学研究以及市场的需求。因此，液体处理的全自动化操作代替繁琐的人工劳动，已成为高通量样本处理的趋势。而且通过自动化移液减小环境影响和人为操作误差是进一步提高移液精度、准确度和重复性的一种有效解决方案。

自动化移液工作站是精密微量移液技术与工业自动化控制技术相结合的产物，是现代生物技术中完成高通量实验过程的必备工具之一。它是将移液器、机械臂、容器、耗材等组件集成在一个自动化的工作平台上，通过软件控制实现全自动化批量移液处理，以实现高通量移液处理的各种应用需求。相比于手动或半自动移液器，自动化移液工作站大大提高了移液操作的效率和重复性。当前基于多通道移液模块的自动化移液工作站以速度快、精准度高、智能化程度高、容量大、持续工作时间长等特性，得到了全世界相关领域的青睐，成为了高通量移液的主流操作范式。

汉赞迪形成了CANTUS系列和NEMO系列两大单机产品系列矩阵，并率先发布了技术难度高且一直为国外品牌垄断的独立8通道液体处理系统-CANTUS FLEX，成为少数成功挑战该关键技术领域的国内企业之一。独立8道在液体工作站领域是一个开发难度极高的产品。独立8道的每个泵头都是由单独的电机独立控制，在Y、Z轴均可独立运动，每个泵头单独吸液排液，并实现不等间距的劈针，实现应用场景的最大包容性，特别适用于合成生物学的复杂移液场景。

图3. 汉赞迪核心单机之一：CANTUS FLEX独立8通道液体处理系统

在合成生物学全流程整合部分，汉赞迪开发了高通量合成生物学自动化筛选和检测平台，该平台以自动化移液工作站为核心，并整合在线外围设备共同组成。外围设备种类繁多，主要包括存储、传送、仪器三大类。存储类包括耗材堆栈、孵育器、培养箱等；传送类包括直线导轨、直角坐标式机械臂、圆柱坐标式机械臂、关节式机械臂等；仪器类包括离心机、酶标仪、PCR仪、克隆挑选系统、平板涂布系统、洗板机、在线破碎系统等。该平台结合标准化的实验流程，在合成生物学的自动化构建和测试方面具有广泛的应用，提高合成生物学研发的效率、通量和规模。

图4. 高通量合成生物学自动化筛选和检测平台

目前，合成生物学已进入全球共识、合作与竞争的快速发展时期，欧盟、美国、中国等国家/地区从学科发展、政策制定和战略布局等多维度促进合成生物学发展。中国合成生物学虽起步较晚，但发展迅速，具备产业优势。我国在合成生物学关键核心技术领域论文发表和专利申请数量位居全球第二，尤其是下游应用端已处于领先位置。从产品优势看，与欧美等国家相比，国内发展合成生物学具备制造应用优势与成本优势，不少产品已占据全球原料市场排行榜前列。目前，国内最多的合成生物学企业汇聚长三角、京津冀、粤港澳，不少企业已经发展成为细分领域行业龙头。合成生物学的技术难题不断突破，应用范围持续拓展。预期未来10年将是合成生物研究落地的10年。

图5. 汉赞迪生命科学全流程智能化加速合成生物学DBTL循环

汉赞迪产品营销高级经理 刘晶晶

刘晶晶：安徽农业大学生物化学与分子生物学博士，研究领域涉及基因工程、合成生物学、高通量多组学等方向，相关论文发表于Plant Cell Environ等专业杂志，并获批专利一项。拥有6年生命科学行业产品应用和市场营销相关经验。

如有技术干货、科研成果、合成生物学解决方案、市场看法等内容，欢迎投稿，投稿文章将在《聚焦合成生物学研究：先进工具与解决方案》专题展示并在仪器信息网相关渠道推广。投稿邮箱：chensh@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：13171925519（同微信）。