2021 年 2 月,刊登在《Current Opinion in Biotechnology》杂志上的一篇研究报告中,来自中国科学院深圳理工科大学的科学家们分享了合成生物学制造的生物燃料(8)。生物燃料是一种可持续和可再生能源,然而,对于大容量生物燃料的经济生产,生物系统设计对于实现足够的产量、滴度和生产力尤其具有挑战性。由于缺乏预测模型,高通量筛选仍然必不可少。而新建立的生物铸造厂(Biofoundries)提供了一个新兴的基础设施,通过集成机器人技术、合成生物学和信息学来加速生物设计-构建-测试-学习 (DBTL) 周期。在此研究中,科学家们重点介绍了合成生物学中构建和测试自动化的技术进步,以及如何使用行业标准微孔板进行DNA组装、底盘工程以及酶和菌株筛选。然后讨论了对自动化铸造厂原型的概念验证研究,用于改善生物质解构、代谢转化和宿主稳健性。此研究总结了生物铸造厂对于生物燃料的研究和开发方面的挑战和机遇。
时隔7个月,2021年9月发表在《Trends in Biotechnology》杂志上的一篇研究报告中,来自法国巴黎、瑞典哥德堡科创机构和英国伦敦帝国理工学院的科学家们联合提出,疫苗生产将受益于合成生物学的系统工作流程方法(9)。几十年来,疫苗行业在技术方面没有明显变化,问题之一是,尽管许多非生物药物是使用标准化的化学工程过程生产的,但疫苗的生产,尤其是全细胞的生产,不太适合标准化。为了打破疫苗制造的规模经济模式,必须通过菌株工程和分子设计来节省成本。这是新兴合成生物学产业的沃土。mRNA技术可以通过几乎无限的衍生物组合进行优化,而生物铸造厂则是产生这些组合的载体和场所。DNA疫苗同样也适用于合成生物学设计,并且酶促生产的线性DNA的出现可能预示着DNA疫苗的新机遇。2021年10月,来自哈佛大学、MIT和Intergalactic Therapeutics等机构的科学家们在《Nature Reviews Drug Discovery 》发表文章表示,合成生物学领域的稳步发展使科学家能够使用基因工程细胞,代替小分子或生物制剂,作为开发新疗法的基础(10)。具有合成基因电路的细胞可以控制响应特定疾病生物标志物的治疗位置、时间和剂量,可以作为抗击疾病的强大新武器。使用合成生物学设计基于细胞的疗法是一种快速发展的医学战略,它为开发针对各种人类疾病的有效疗法带来了巨大希望。
人工智能、机器学习和机器人技术的融合意味着对新型人才的需求将不断增长。随着生物铸造厂接管繁重的液体处理,生物学家需要更多的计算机科学和 IT 系统知识。业内人士表示非常期待和需要有工程知识、数学知识和懂得计算机科学的生物学和生物化学博士人才。对合成生物学产业的发展至关重要的是培养更多了解生物学的工程师、数学家和计算机科学家。 同时,高等教育的挑战可以通过对高级技术人员的培训来解决,提供面向本科学历,硕士和跨学科的博士课程,以及大规模地开放在线课堂(MOOCs)和企业管理课程(9)。References:1. Didovyk A, Tonooka T, Tsimring L, Hasty J. Rapid and scalable preparation of bacterial lysates for cell-free gene expression. ACS Synth Biol. 2017;6(12):2198–2208. doi: 10.1021/acssynbio.7b00253.2. Programming cells: towards an automated ‘Genetic Compiler’.Clancy K, Voigt CA Curr Opin Biotechnol. 2010 Aug; 21(4):572-81.3. Pardee K, Green AA, Ferrante T, Cameron DE, DaleyKeyser A, Yin P, et al. Paper-based synthetic gene networks. Cell. 2014;159(4):940–954. doi: 10.1016/j.cell.2014.10.004.4.Next-generation biocontainment systems for engineered organisms. Lee JW, Chan CTY, Slomovic S, Collins JJ Nat Chem Biol. 2018 Jun; 14(6):530-537.5.Orthogonal Ribosome Biofirewall. Jia B, Qi H, Li BZ, Pan S, Liu D, Liu H, Cai Y, Yuan YJ ACS Synth Biol. 2017 Nov 17; 6(11):2108-2117.6.Development of a CHO-Based Cell-Free Platform for Synthesis of Active Monoclonal Antibodies. Martin RW, Majewska NI, Chen CX, Albanetti TE, Jimenez RBC, Schmelzer AE, Jewett MC, Roy V ACS Synth Biol. 2017 Jul 21; 6(7):1370-1379.7.Optimized extract preparation methods and reaction conditions for improved yeast cell-free protein synthesis. Hodgman CE, Jewett MC Biotechnol Bioeng. 2013 Oct; 110(10):2643-54.8.Jianzhi Zhang, Yongcan Chen, Lihao Fu, Erpeng Guo, Bo Wang, Lei Dai, Tong Si, Accelerating strain engineering in biofuel research via build and test automation of synthetic biology, Current Opinion in Biotechnology, Volume 67, 2021, Pages 88-98, ISSN 0958-1669, https://doi.org/10.1016/j.copbio.2021.01.010.9.Richard I. Kitney, Jennifer Bell, Jim Philp, Build a Sustainable Vaccines Industry with Synthetic Biology, Trends in Biotechnology, Volume 39, Issue 9, 2021, Pages 866-874,ISSN 0167-7799, https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.12.006.10.Cubillos-Ruiz A, Guo T, Sokolovska A, Miller PF, Collins JJ, Lu TK, Lora JM. Engineering living therapeutics with synthetic biology. Nat Rev Drug Discov. 2021 Dec;20(12):941-960. doi: 10.1038/s41573-021-00285-3. Epub 2021 Oct 6. PMID: 34616030. 版权声明/免责声明