【打造梦想实验室】之智能化的合成生物学实验室

八月，全球首座合成生物科学馆在北京大兴生物医药产业基地正式落成开馆。五月，国家“十四五生物经济发展规划”正式发布，其中多次提及需要提高我国合成生物学的能力。合成生物学的频频亮相，使之逐渐走进大众的视野，而我们的科学家和企业早也走进合成生物学的世界。

合成生物学是基于分子生物学、系统生物学、组学和工程学的原理和方法，从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计，让细胞成为工厂，生产我们需要的原料。合成生物学经典的DBTL循环是研究的基本思路，从分子层面的基因构建，到细胞层面的功能测试，再到数据层面的信息化学习，直至AI层面的再设计，形成一套闭环系统，不断优化获得合成生物学的产品。

合成生物学近年的快速发展离不开政策和技术的双重利好，从政策端，合成生物学发展符合我国“双碳”目标的实现，与传统技术路线相比，更环保、成本优势更明显，同时创新型的技术也是我国未来生物科技发展的重点技术项目。从技术端，基因测序合成技术的发展，使得测序和基因合成的成本大大下降，成为了所有研究实验室都可使用的技术。同时，平台型使能技术快速发展促进智能化实验室的衍生。

基因设计和改造是底层技术，也是合成生物学发展的必需技术。从传统的目的基因扩增，酶切连接进入载体，到基于CRISPR的基因编辑，直至从基因元件库中取出需要的多个片段组装都是常用的基因改造的方法。在众多的方法中，多片段的基因组装最为酷炫，就像搭乐高积木一样，将基因元件库中的元件进行灵活搭配，组装成我们需要的基因。Gibson和Golden Gate酶技术使得我们能够一次完成3-6个甚至12-50个核酸片段的同时组装。高效的同时也意味着高成本，如何节省成本，如何使用一个批次的试剂完成多个实验是实验室需要考虑的事情。还好我们有Echo声波移液的黑科技，能在缩小30-50倍试剂成本的同时，保证基因组装的高效性。

在基因组装的同时，我们不要忘记原材料的重要性，高质量的人工合成核酸片段是实验成功的基础。在基因片段化学合成工程中，合成的片段长度越长，出现错误的概率就越高。作为寡核苷酸合成行业的著名品牌，IDT凭借着富集循环和独有的固相合成技术，可将Ultramer片段的耦合效率提升到99.6%，远高于行业平均水平的98.5%的耦合效率。如果需要合成更长的片段，就需要使用上述的Gibson法来进行生物合成。

为什么我们需要这么关注成功率和错误率？因为它们会影响到克隆的成功率。

分子层面的基因组装及改造实验完成后，我们将质粒转化进感受态细胞中，让其在琼脂糖培养基中长出克隆，而后进行基因序列的鉴定。在常规实验室中，我们需要用牙签将克隆一个一个挑去液体培养基中，你觉得你一个小时能挑取多少？3000个克隆你觉得需要挑多久？我们这可是智能化的实验室，当然不再是用牙签来挑取，我们使用美谷分子仪器的QPix高通量克隆挑取系统，每小时可自动化地挑取3000个克隆，如果需要，它还能帮你涂板呢。

挑取克隆的鉴定需要使用PCR配合电泳或一代测序，或者更为精细的二代测序方法，对前面挑取的几千个克隆进行核酸提取，去做PCR系构建，去做NGS文库构建，单靠手工去完成，耗时耗力，效率不高。在智能化的实验室中，我们可以使用Biomek自动化系统来完成重复高通量的工作，让我们有更多的时间挪到学习和设计的工作中去。

贝克曼库尔特的Biomek自动化工作站搭配Echo声波移液系统，可在4小时内完成384个样本基于Nextera XT试剂盒的文库构建工作，而对于PCR体系更是不在话下。

在合成生物学的实验室中我们还需要搭配通用设备来辅助完成实验，比如离心机、PCR仪、培养箱，封膜和撕膜系统。在智能化的实验室中我们可以将这些设备全部通过机器人串联起来，实现全流程实验操作的自动化，同时搭载其中的数据管理系统，保证追随样本的信息流完整性，并可与后续的学习和设计模块对接，实现DBTL的智能化。

构建完成的菌株我们应该怎么对它的表达物质进行检测呢？双抗夹心ELISA法是最通用的手段，期间移液、洗板、酶标是ELISA实验中的重复步骤，在实验室中我们可以使用自动化工作站、洗板机和酶标仪来完成这些高通量实验，也可以将这些设备整合成全自动ELISA系统。其中酶标仪的使用需要保证结果的稳定性及数据记录的合规性。酶标系统在合成生物学实验中不仅仅可以用于检测蛋白等物质，还可以通过检测OD600来监测细菌的生长曲线，从而寻找到快速生长且高表达的菌株。

当我们筛选出候选菌株，需要对菌株的培养条件进行优化，同时需要对状态进行实时的监控，这一步的关键点在于能在一个能自动调节pH值、温度、湿度和气体含量的环境，根据不同的情况进行补料，同时能够实时监测菌体的生物量、溶氧量、及荧光标记蛋白的表达量。在智能化实验室中，可使用贝克曼库尔特的Biolector生物反应器来帮助我们完成这些复杂的工作。

而对于更进一步活性物质的监测，需要使用质谱技术的帮助来实现代谢组和蛋白组层面上的定性与定量研究。如在靶向代谢组学研究中，我们可以对代谢物靶标进行分析，比如对某几个特定组分进行分析；也可以对代谢轮廓进行分析，比如关注某一或某几个pathway、某一类结构的标志性组分等。

在我们的智能化实验室中，当然不仅仅存在常规的质谱系统，我们还有EchoMS系统，它使用非接触式直接上样分析，超声雾化进样，可消除残留和错误。越过传统液相的进样时间瓶颈，EchoMS可酶标分析3个样本（180个样本/分钟），和传统方法相比，分析速度提高了50倍。EchoMS特别适合在高通量的合成生物学实验中用于基于目标产物的高通量生物体系筛选。当然，它也可以与自动化系统配合组成全自动化检测系统。