-用合成生物学探索人类构建生命上限
发布时间:2020-12-23
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-用合成生物学探索人类构建生命上限

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深圳先进院合成所研究员司同

“这是合成生物学界的一次‘登月’行动,我们想探索人类构建生命的上限。”近日,中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)研究员司同接受记者采访时表示。司同所说的“登月”,离不开位于深圳光明区的合成生物大设施。他在大设施建设中担任总工艺师。

“如果说合成生物学是像搭积木一样搭建生物,那合成生物设施就是将这一技术从传统的‘手工作业’,转变为大规模自动化的机器作业。”司同表示,“这将为我们面临的资源、能源、健康、环境和安全等重大挑战,提供全新的解决方案。”

从概念机到全球首个大设施

司同表示,合成生物学,简单来说,就是像组装机器一样组配生物,像搭乐高积木一样搭建拥有特定功能的人造生命。

而由于生命的高度复杂性,目前还无法进行理性设计,意味着需要海量实验和不断“试错”。传统的“手工作坊”式研究难以满足需求,人们需要一位效率更高且永不疲倦的自动化助手来协助研究,合成生物大设施应运而生。

据悉,深圳于2018年启动筹建大设施,总投资近8亿元(不含基建)。今年8月,由深圳先进院牵头建设的脑解析与脑模拟、合成生物研究两大市级重大科技基础设施项目总概算获批复。

“目前大设施已经进入开工建设阶段,我前期主要工作是细化科学和应用目标,明确大设施要做些什么;设计并优化工艺路线(即怎么做),然后在预算内,最大化地去构建一个性能好的大设施。”司同表示。

合成生物设施的效率到底有多高?据悉,目前美国伊利诺伊大学香槟分校的合成生物设施,每天可建造多达1000个特定序列蛋白,每个造价不到3美元,成本仅为人工制造的千分之三。

值得一提的是,学术界首个全自动合成生物设施的概念机,正是司同在香槟分校开展博士和博士后研究期间参与研发的。“我们的实验需要经常构建突变体库,大家每天都在筛选突变体,于是就想能不能设计一台设备,来帮忙做这件机械化的事,”司同表示,“然后就有了合成生物大设施的第一台概念机。”

此后,这台概念机的模式复制到了全球多个实验室。此次深圳的合成生物大设施,规模将是概念机的30倍以上。

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合成生物大设施自动化功能岛

从2000个“积木”到2000万个

组装一台机器需要成千上万个零件,而搭建生物则需要几千万甚至更多。就像给机器输入指令一样,生物体的搭建,同样需要DNA碱基和序列这样的“零件”,不断地按照特定顺序排列而成。

事实上,人们已将细胞自我复制的原理,用于酱油、醋、酸奶等制作,俗称发酵。而合成生物学家们要做的,则是对自然界中已有的生物细胞,甚至对生命进行“理性设计”,为人们解决实际问题。

比如司同团队与中粮集团合作,关注粮食安全问题。下雨天后作物很容易发霉,尤其在南方,而由此造成的真菌毒素污染,已成为我国食品安全和饲料安全的重要隐患。

“降解毒素的一个潜在方法是利用酶进行生物脱毒,但大部分天然酶降解效率低、稳定性差,难以大规模应用。”司同说,“此时就需要经工程改造的人工降解酶登场了。”

如何快速合成最有效的那个酶?依托合成生物大设施,可以大规模地构建并快速自动筛选。据悉,目前测试速度从30分钟缩短至5秒左右,单个样品的处理成本从200元降低到了0.1元以下。“酶的定向进化于2018年获得了诺贝尔化学奖,这一技术本身已非常成熟,但检测速度和成本是瓶颈。而我们是在原有基础上进一步提高了开发的效率。”司同表示。

不断开发新的仪器设备,研究人员同时用机器人将这些设备连接起来,实现自动化作业。“从化学合成的200个碱基‘零件’出发,根据碱基序列的可复制性,使细胞中的2000个碱基‘零件’变成2000万个碱基‘零件’,就像堆积木一样,最终搭建起生物系统。”司同表示,这一思路可用于药物合成、DNA合成、生物发酵等。尤其在疫情期间,提高研发的自动化程度,同时也减少了人员接触。

合成生物学除了创造全新的“已知”,还能探索过去的未知。

据司同介绍,其团队目前在和南方科技大学海洋系合作,探寻地球生命起源问题。“认为生物由细菌、古菌和真核生物三大类组成,是目前的主流分类方法之一,但具体怎么起源的还不清楚。”据悉,通过分析现存物种和化石中的生物分子,团队用合成生物学方法将古老已经灭绝的生命过程“复活”,为探索生命的起源提供实验证据。

从香槟分校到深圳先进院

去年4月,在伊利诺伊大学香槟分校帮自己的博士导师、国际著名合成生物学专家赵惠民教授庆祝完50岁生日后,司同启程来到深圳先进院。合成生物大设施的项目建设正等待他的加入。

“从2018年大设施启动筹建,我就一直有关注,这是合成生物学界一件令人激动的事。”司同表示。

选择来到深圳,也是对这里的信息产业和智能制造业有信心。“有一次实验室的一台进口设备‘罢工’了,跟国外厂家联系后只能整机更换,费用很高,经排查发现其实只是里面的一个元器件出了问题。”司同告诉记者,“后来我们的工程师在深圳定制国产元器件进行更换和维修,解决了问题。” 

此外,司同选择来到深圳先进院,也是因为这里学科交叉的团队和氛围,不同专业领域合作非常活跃。“合成生物设施建设是复杂的系统工程,需要生物、信息、自动化等多学科的深度整合和协同攻关,深圳先进院具备这样的能力和环境。”司同说。

“从事合成生物学的人,最大的梦想就是,随着技术的发展,将来有可能像编程一样,在计算机上输入一些指令,就能设计出一个全新的生物体。”司同表示,“未来我们也会探索合成动物和植物。”



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