合成生物学

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2023, 4(5): 1.

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合成生物学装备：颠覆生命科技的利器

司同, 邢新会

2023, 4(5): 853-856. doi:10.12211/2096-8280.2023-069

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自动化合成生物技术在DNA组装与微生物底盘操作中的应用

陈永灿, 司同, 张建志

2023, 4(5): 857-876. doi:10.12211/2096-8280.2023-049

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基于绿色生物制造进行物质能量生产，有望减少对天然植被、耕地、石化等资源的依赖，而微生物细胞工厂是绿色生物制造过程的“芯片”。合成生物学为微生物细胞工厂的研究提供了重要的使能技术，但目前仍面临生命系统高度复杂、实验过程需要反复试错、实验通量较低等限制因素。自动化合成生物技术借助高通量、自动化和智能化的软硬件设施平台，基于标准化、模块化的生物元件库和合成生物工艺，可低成本、高通量、快速、多循环地完成海量工程试错性实验，加速特定性能人工细胞工厂的设计和优化，支撑相关研究和应用。本文主要针对细胞工厂“设计-构建-测试-学习”循环中最关键、最耗时的“构建”环节，对DNA组装和底盘细胞操作自动化工艺和设施平台进行了总结，对自动化合成生物技术应用于生物合成基因簇挖掘、代谢通路优化和底盘细胞优化的最新进展进行了介绍。最后展望了微生物细胞工厂自动化构建面临的挑战和未来发展，讨论了包括非模式微生物在内的全流程自动化的发展趋势，而自动化装备的国产化自主研发将为此做出重要贡献。

合成生物学自动化装置iBioFoundry的构建与应用

卢挥, 张芳丽, 黄磊

2023, 4(5): 877-891. doi:10.12211/2096-8280.2023-027

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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。随着自动化合成生物技术的不断发展，目前全球各地有多个合成生物自动化设施已建成或在建中。本文从建设背景、设计构建、科研项目运行和应用前景等方面对浙江大学杭州国际科创中心建设的合成生物学自动化装置iBioFoundry进行介绍，通过大肠杆菌工程菌的批量构建和酶的定向进化及筛选案例对实验自动化方案制定、实验流程程序编写和上机运行的过程做简要描述和分析，并就装置耗材存储空间的分配、多实验任务并行和实验流程标准化建设等装置建设过程的一些思考做经验分享。合成生物学自动化装置可以帮助研究人员大幅提高实验效率，装置产生的大量高质量数据结合信息技术，有望高通量、低成本、多循环地实现合成生物学研究中“设计-构建-测试-学习”的自动化运行，加速合成生物学在基础及诸多应用领域的研究效率。

生物设施平台及其工业应用

赵国淼, 杨鑫, 张媛, 王靖, 谭剑, 魏超, 周娜娜, 李凡, 王小艳

2023, 4(5): 892-903. doi:10.12211/2096-8280.2023-024

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传统菌株改造和筛选实验存在操作烦琐、耗时、易错、难以规模化等问题，生物设施平台将自动化、机器人技术、数据分析与生物研究相结合，通过导轨和机械手臂实现自动化操作，提高了实验操作的稳定性，通过缩小培养体积（微孔板或微液滴），提高了培养和筛选通量，解决了上述问题，大大提高了研发效率。本文简单介绍了自动化设施平台的发展和常见的高通量检测方法，重点介绍了中粮营养健康研究院的自动化设施平台，并结合开展的项目叙述了平台在生物燃料菌株开发、传统酿造菌株筛选、酶的定向进化和筛选等领域的应用，可以预见自动化和高通量化在菌株改造和筛选方向巨大的应用价值。实验室自动化是涉及机械工程、自动化、计算机和生命科学等学科的交叉领域，需要各方面共同努力，才能推动实验室向更高程度的自动化和智能化方向发展。

高通量平行发酵技术的发展与应用

白仲虎, 任和, 聂简琪, 孙杨

2023, 4(5): 904-915. doi:10.12211/2096-8280.2023-026

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21世纪初，为解决生物医药过程工程研究所面临的微生物和哺乳动物细胞培养的实验通量、研发效率与成本方面的问题，更重要的是质量源于设计（QbD）导向的生物过程工程实验设计（DoE）的迫切需要，基于微、小型生物反应器的平行发酵（细胞培养）技术与产品得到了广泛应用。近年来微生物代谢工程与合成生物学的飞速发展，对高性能菌种库的高通量筛选与菌种表型过程表现的早期评价提出了更高实验通量的需求，这进一步拓展了不同培养体积的平行发酵培养装置在工业生物技术领域的应用。时至今日，可模拟工业培养条件并实施过程参数准确控制的微小型反应器的多联罐平行发酵装置、系统操作软件和数据处理的集成系统已成为生物过程工程研发的强大工具，它在生物医药创新、代谢工程和合成生物学等基础研究成果向工业化技术转化中起到重要的支撑作用。特别是在合成生物学领域中，基于“工业相似性“原则的平行发酵技术，可以解决培养板或摇瓶高通量菌种筛选无法表征克隆表型、在规模化培养中的表现受培养过程参数显著影响的痛点问题，实现过程工程导向的高通量、高效率的菌种筛选与评价。本文对高通量平行发酵与细胞培养技术的发展近况与其在合成生物学研究中的应用场景做了介绍，其中主要总结了平行发酵培养技术在高通量菌种筛选评价“三段论”中的价值、平行发酵培养如何支持菌种筛选的工业相似性原则的实施、平行发酵培养结合DoE实验策略实施高效的生物过程工程开发、使用平行发酵培养建立过程多变元批次模型的方法，以及平行发酵培养与建立生物培养过程缩小模型的关系等。

超声移液及微量移液技术进展和展望

张志强, 张扬, 邱维宝, 郑海荣

2023, 4(5): 916-931. doi:10.12211/2096-8280.2023-036

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近年来，合成生物学、新药研究以及体外诊断等现代生物、医学技术的快速发展对微量移液技术的精准度、通量、成本等各方面提出了越来越高的要求。传统基于活塞原理的移液技术虽然可以做到自动化，通量可以很高，但是移液精度局限于亚微升级。基于电磁阀、压电驱动等移液技术可以大幅度提高移液精度，但是由于结构复杂，通量难以与活塞式移液技术相媲美。基于电场、磁场、激光等新型移液技术的移液精度可以实现纳升级和皮升级，但是这些技术主要基于微流控平台，针对一些特定应用，通用性差。此外，上述移液技术都需要使用吸头、毛细管、喷嘴等移液头，会与液体直接接触，存在移液头容易堵塞、液体残留、样品交叉污染的风险，而且移液头大都是一次性耗材，成本高，污染环境。非接触式超声移液技术是一种声镊技术，利用超声波声场调制的声辐射力实现对液滴的无接触式操控，无需一次性移液头辅助，无需与液体接触，且具有精度高、移液速度快等特点，是较为理想的精密微量移液技术，展现了重要的应用前景。本文对微量移液技术的发展和代表性研究进展进行了系统性介绍，重点介绍了非接触式超声移液技术的发展和研究进展，并分析讨论了微量移液技术值得关注的发展方向，比如高通量及高通用性的非接触式超声移液技术、智能化移液工作站，以及基于微流控平台的微量液体处理技术等。

自动化高通量技术在天然产物生物合成中的应用

胡哲辉, 徐娟, 卞光凯

2023, 4(5): 932-946. doi:10.12211/2096-8280.2023-035

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天然产物与人们的日常生活息息相关，是药物、食品、营养添加剂、色素、化妆品等产品的重要来源。发掘新的天然产物并实现其高效合成对于提升人们的生活水平至关重要。然而，研究通量低和产物产量低已成为限制该领域快速发展的两大瓶颈。为了克服这些问题，自动化高通量技术的引入在天然产物生物合成领域具有重要意义。该技术可以将高度依赖人力资源的低通量和随机性手工操作的实验过程转变为基于先进设备的自动化、标准化和高效的研究过程。因此，将自动化高通量技术引入天然产物生物合成领域可以有效解决研究瓶颈，加速研发进程。本文综述了自动化高通量技术在天然产物生物合成领域的应用，阐述了其在天然产物挖掘、高效生物合成和快速检测等方面的优势。最后，讨论了该技术现存缺陷，包括仪器设备造价高昂、操作复杂，并且一些装置尚未得到推广。相信在合成生物、信息技术、自动化等多领域的共同协作下，自动化高通量技术具备的独特优势将为新型天然产物功能产品的开发提供可持续来源。

基于荧光检测的高通量筛选技术和装备助力细胞工厂构建

孙梦楚, 陆亮宇, 申晓林, 孙新晓, 王佳, 袁其朋

2023, 4(5): 947-965. doi:10.12211/2096-8280.2023-017

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微生物工业制造是以微生物细胞工厂为核心，利用低成本、可再生资源为原料，实现高附加值化合物的绿色生产。依赖于“设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环的微生物细胞工厂开发过程中“测试”阶段已成为制约合成生物学和代谢工程发展的瓶颈之一。基于微量滴定板（MTP）高通量自动化筛选平台极大降低了高通量筛选过程的劳动强度，流式细胞术和液滴微流控技术的发展大幅度提高了筛选通量。尤其是荧光激活液滴分选（FADS）高通量筛选技术的开发为自动化、高通量和低消耗筛选工作提供了新的解决方案。本文综述了不同高通量筛选技术在合成生物学和代谢工程领域应用的主要进展，重点介绍了近几年荧光激活细胞分选技术（FACS）和FADS在微生物细胞工厂和酶定向进化方面的应用实例，关注了待测分子与荧光信号偶联的常用策略，并简单介绍目前国内外基于液滴微流控技术高通量筛选装备的研发情况。

微液滴高通量筛选方法的研究与应用进展

秦伟彤, 杨广宇

2023, 4(5): 966-979. doi:10.12211/2096-8280.2023-033

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在单细胞层面对生物功能进行高通量的分析和分选是对关键基因、元件、途径与细胞工厂进行优化的重要技术。基于微液滴的筛选方法因其低成本、超高通量等优势，已被广泛应用于生物、医药、食品和工业等各个领域。本文针对目前主流的荧光激活的液滴分选、吸光度激活的液滴分选，以及无标记液滴分选等微液滴筛选设备的进展进行综述，主要包括基于质谱、拉曼、核磁共振、电化学、图像识别等。并总结了近年来微液滴筛选设备在酶进化、微生物育种等领域应用成功的案例。此外还对不同的微液滴筛选设备的优势与面临的挑战进行了讨论，未来各种新的荧光探针的开发以及质谱等非标记检测方法的进一步发展，将是微液滴筛选设备的主要发展方向，在蛋白质工程、抗体工程、细胞分选及临床研究等方面具有重要的应用潜力。

原位电离质谱技术在微生物菌株筛选中的应用进展

刘欢, 崔球

2023, 4(5): 980-999. doi:10.12211/2096-8280.2023-018

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质谱是一种强大的分析工具，可提供分子量和化学结构信息。它具有高特异性、高灵敏度、快速、普适性、微量和非标记等优点。在合成生物学的“设计-构建-测试-学习”工程化策略中，质谱具有重要的应用潜力。随着质谱仪器及其方法体系的不断发展，质谱，特别是原位电离质谱技术，已经成为检测和筛选微生物菌株的重要工具。它能够获取完整的细胞代谢表型，用于合成生物学中的“测试”环节高通量筛选和成像。本文重点介绍了经典的基质辅助激光解吸/电离质谱技术和基于电喷雾、激光和等离子体的原位电离质谱技术的工作机制。此外，还综述了这些质谱技术可以在无需样品预处理的情况下直接检测完整的微生物细胞，以及在微生物突变文库的高通量筛选和活微生物菌落的质谱成像方面的研究进展。最后，总结了原位电离质谱技术在合成生物学中的应用。原位电离质谱技术具有微量、无标记、高通量、普适性、高灵敏度等特点，将在合成生物学“测试”环节的高通量筛选装备中发挥重要作用。

基于高通量液相色谱质谱技术的菌株筛选与关键分子定量分析研究进展

吴玉洁, 刘欣欣, 刘健慧, 杨开广, 随志刚, 张丽华, 张玉奎

2023, 4(5): 1000-1019. doi:10.12211/2096-8280.2023-031

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合成生物学是21世纪新兴的交叉学科，已经为医药、化工、能源、食品和农业等领域带来了显著的改变。微生物细胞工厂（microbial cell factory，MCF）的构建和应用是合成生物学的重要研究内容，正迅速向实用化、产业化的方向发展。得益于基因编辑技术的进步，MCF菌株文库构建的能力大幅提升，亦产生了数量庞大的待测样本，亟需发展高通量自动化的分析检测方法与之匹配。此外，针对关键代谢酶或代谢物的高通量检测技术，也对MCF改造乃至工业化生产有重要的指导意义。液相色谱质谱技术是生物分子检测分析的重要手段，在蛋白质、代谢物定量分析方面占据重要地位。因此本文总结回顾了近年来高通量液相色谱质谱技术在微生物菌株筛选及关键分子定量分析方面的研究进展，从样品制备、色谱分离、质谱分析及数据处理等层面展开阐述，并对这一领域与自动化平台结合的前景及如何深度融合的挑战进行简要概括，为推动基于合成生物学生物智造领域的快速发展提供指导。

单细胞拉曼光谱测试分选装备研制及应用进展

刁志钿, 王喜先, 孙晴, 徐健, 马波

2023, 4(5): 1020-1035. doi:10.12211/2096-8280.2023-025

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合成生物学的跨越式发展，取决于“设计-构建-测试-学习”（design-build-test-learn）这四大环节的突破。随着基因组测序、编辑、合成以及人工智能技术的日新月异，业界设计和构建突变体甚至人工细胞工厂的能力已经突飞猛进。然而，合成生物学至今仍面临的困境之一便是“大体系的复杂性难以处理”，一旦体系变大，细胞表型测试与分选的工作量就非常艰巨，甚至不可完成。单细胞拉曼光谱（SCRS）技术能够在活体单细胞水平、非标记状态下识别全景信息从而分辨复杂功能表型，且具有快速、低成本、能够与下游细胞组学研究耦联等优势，被视为全新的单细胞表型识别技术。目前，基于SCRS技术强大的表型识别能力已发展了系列合成表型的测试与分选装备，并进行了广泛的应用示范，展示了其助力合成生物学表型测试与分选的巨大潜力。本文选取自主研制的单细胞拉曼光镊分选仪（RACS-Seq）、单细胞微液滴分选系统（EasySort）和高通量流式拉曼分选仪（FlowRACS）为典型仪器装备，分别概述其技术原理和技术迭代以及特色应用案例等。本文最后对当前基于SCRS技术的合成表型测试分选装备所存在的问题及潜在解决策略进行了探讨和展望。

面向自动化铸造平台的多功能微孔板检测系统

马翠, 杨凡, 张君泰, 何凯

2023, 4(5): 1036-1049. doi:10.12211/2096-8280.2023-023

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生物分析技术正向高通量、高灵敏度、多功能方向发展，微孔板检测仪作为高通量分析的基础仪器，需要满足微量化、自动化、集成化的要求。目前国内单一功能的微孔板检测仪器技术成熟，检测精度已与国际水平相当，但多功能的微孔板检测仪还较少，大多使用进口仪器。进口产品价格昂贵，有些操作指令不公开，不易集成到自主研发的合成生物自动化铸造平台项目。本研究将对高精度吸光度检测和高灵敏度荧光检测等关键技术进行研究，开发具有吸光检测和荧光检测功能的微孔板检测仪，并自主开发控制系统及数据采集分析软件，使其易于接入自动化铸造平台。该微孔板检测仪结构紧凑，吸光检测和荧光检测模块独立，波段可扩展。通过实验测试，所研发的微孔板检测仪的吸光度检测重复性为0.3%，10 s内可完成96孔的吸光检测；荧光检测数据在皮摩尔浓度范围内线性度较好，对荧光素钠溶液的检测灵敏度大约3.9 pmol/L。此外，该系统可通过串口直接连接自动化平台集成控制系统，也可通过TCP方式进行远程通信控制。

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