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編者按

跟蹤智慧實驗室的理論研究發(fā)展狀況、產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)、主要設(shè)備供應(yīng)商產(chǎn)品研發(fā)動態(tài)、國內(nèi)外智慧實驗室建設(shè)成果現(xiàn)狀等信息內(nèi)容。本文由中科院上海生命科學信息中心與曼森生物合作供稿。

生物鑄造廠提供自動化和分析基礎(chǔ)設(shè)施，以支持生物系統(tǒng)工程。它允許科學家在高通量規(guī)模上進行合成生物學和并行實驗，大大增加了可以針對任何給定問題進行檢查的解決方案空間。然而，建立生物鑄造廠是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，必須解決許多技術(shù)和操作問題。本期推文，編譯了 Maciej B Holowko 等發(fā)表在 Synthetic Biology 期刊上的論文《建造生物鑄造廠》（Building a biofoundry），作者概述了在建立生物鑄造廠之前和建立過程中應(yīng)考慮的幾個問題。

其中包括建立的驅(qū)動因素、體制模式、資金和收入模式、人員、硬件和軟件、數(shù)據(jù)管理、互操作性、客戶參與和生物安全問題。建立和運營的高成本意味著，在融資框架、實際和潛在客戶基礎(chǔ)以及成本結(jié)構(gòu)的背景下，開發(fā)生物鑄造廠可持續(xù)性的長期商業(yè)模式至關(guān)重要。此外，由于生物鑄造廠正在引領(lǐng)生物工程實驗設(shè)計的概念轉(zhuǎn)變，因此需要與研究界保持持續(xù)的聯(lián)系和參與，以擴大客戶群。認識到所需的重大長期金融投資，并了解運營的復(fù)雜性，對于可持續(xù)的生物鑄造廠投資至關(guān)重要。為了確保將最先進的技術(shù)納入規(guī)劃，建議與現(xiàn)有設(shè)施和社區(qū)團體（如全球生物鑄造廠聯(lián)盟）廣泛接觸。?

文章篇幅較長，將分為三期講述，感謝關(guān)注！

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《合成生物學》——建造生物鑄造廠（上）

目錄 /CONTENTS

01引言

02建立生物鑄造廠的基本原理?

03機構(gòu)和融資模式

04發(fā)展戰(zhàn)略和客戶參與

05現(xiàn)場注意事項

06人員考慮

07硬件注意事項

08軟件注意事項

09自動化和集成策略

10數(shù)據(jù)訪問注意事項?

11文化和培訓注意事項

12生物安全和生物安?？紤]因素

13結(jié)論

4?發(fā)展戰(zhàn)略和客戶參與

生物鑄造廠設(shè)計的核心是建立與客戶和合作者（無論是學術(shù)和/或商業(yè)用戶） 的互動模式。在開發(fā)服務(wù)模型時，重要的是要記住，有效的工程包括對用戶需求 /愿望的清晰理解（即以用戶為中心的設(shè)計）。也就是說，生物鑄造廠的尖端性質(zhì)意味著，在更廣泛的研究群體中，對生物鑄造廠能為它們做什么的理解可能仍然有限（見第 11 節(jié)）。許多研究人員不知道，允許自動執(zhí)行關(guān)鍵基因工程實驗室協(xié)議的技術(shù)已經(jīng)可用，可以常規(guī)使用。需要與當前和潛在用戶群進行持續(xù)討論，并制定迭代開發(fā)策略。由于市場規(guī)模和客戶需求通常需要對物理基礎(chǔ)設(shè)施進行并行開發(fā)，因此至關(guān)重要的是從小規(guī)模開始，并與生物鑄造廠設(shè)施有機發(fā)展，以使設(shè)施滿足需求，而不會過度資本化。

4.1 可用服務(wù)
生物鑄造廠的焦點可以是狹窄的，也可以是廣闊的。在實踐中，不同的生物鑄造廠往往專注于合成生物學的不同方面，例如，專注于特定的生物體或應(yīng)用領(lǐng)域，或?qū)Ｗ⒂谏镌O(shè)計空間內(nèi)的不同類型的服務(wù)或基礎(chǔ)技術(shù)。應(yīng)根據(jù)客戶需求和可用設(shè)備確定生物鑄造廠的特定生態(tài)位。當前鑄造廠的大部分核心工作集中于“構(gòu)建”和“測試”能力，特別是 DNA 組件的高通量構(gòu)建、細胞系的轉(zhuǎn)化和基本產(chǎn)品驗證。設(shè)施客戶通常希望進行自己 的分析（“測試”）工作，或希望生物實驗室進行最低限度的內(nèi)部測試。合成生物學工作流的模塊化允許客戶選擇何時何地進入和離開服務(wù)管道，并從一組可互換 的模塊中構(gòu)建定制管道（圖 2）。

圖 2 生物鑄造廠服務(wù)的模塊化性質(zhì)。給定生物鑄造廠提供的服務(wù)可以很容易地分為功 能模塊，并且可以允許客戶混合和匹配模塊和/或服務(wù)以更好地滿足他們的需求。?
基本高通量工作流程的一個示例可以包括 DNA 合成、構(gòu)建體組裝、細菌/酵母轉(zhuǎn)化、菌落挑選、分類和 DNA/RNA 回收。設(shè)備有限的生物鑄造廠可能選擇與其他設(shè)施合作或外包，以補充或擴展工作流程。這可能包括測序、細胞分類、蛋白質(zhì)組學或代謝組學研究和數(shù)據(jù)分析。一些最需要的測試能力是流式細胞術(shù)、微板讀數(shù)測定、熒光活化細胞分選和高通量微生物反應(yīng)器。

曼森生物高通量平行生物反應(yīng)器

如果給定的設(shè)施具有特定的重點或應(yīng)用領(lǐng)域（例如，用于化學生產(chǎn)的菌株構(gòu)建；用于工廠轉(zhuǎn)化的大型菌株構(gòu)建），則開發(fā)的可用設(shè)備和工作流程應(yīng)支持這些應(yīng)用。與生物鑄造廠開發(fā)的其他方面一樣，特定設(shè)施的分析能力應(yīng)符合客戶的需求。

4.2 服務(wù)模式生物鑄造廠服務(wù)模式與其他科學服務(wù)提供平臺和核心設(shè)施相似，因為該模式 取決于資金和客戶基礎(chǔ)。迄今為止使用的模型提供了不同程度的設(shè)施訪問，從僅設(shè)備訪問和培訓計劃到全面的內(nèi)部服務(wù)。融資模式從完全成本回收（有或無利潤）到部分成本回收，再到完全補貼的準入。對于同時擁有學術(shù)和行業(yè)客戶的設(shè)施， 通常會看到一個分層成本模型結(jié)合了幾個不同的成本回收水平。較低的回收率通常面向?qū)W術(shù)用戶，較高的回收率來自工業(yè)/商業(yè)客戶，利用利潤補貼學術(shù)客戶。

4.3 用戶參與?客戶參與和關(guān)系管理是任何服務(wù)模式的核心。項目參與的早期討論要點包括 客戶“必須擁有”、“喜歡擁有”以及項目成果中不需要的內(nèi)容。在更高層次上， 當前的客戶需求和預(yù)計的未來客戶需求應(yīng)該是長期規(guī)劃和增長的驅(qū)動力。這包括 新設(shè)備采購、協(xié)議制定和員工招聘計劃。對于以成本回收模式運營的設(shè)施，客戶參與必須包括圍繞每個樣品/培養(yǎng)盤/ 單位的成本進行討論。由于面向自動化的耗材每單位成本可能更高，因此，為沒有自動化的情況下執(zhí)行的相同協(xié)議提供比較成本（時間和勞動力）可能是有用的。如果核心生物鑄造廠吸收了部分成本，客戶應(yīng)了解與收費成本相關(guān)的全部項目成本。此外，有必要讓客戶參與關(guān)于生物鑄造廠準入的未來規(guī)劃的討論，例如在贈款申請中。服務(wù)提供商或客戶不應(yīng)低估規(guī)劃相關(guān)成本的必要性。應(yīng)將其視為類似于規(guī)劃使用其他核心設(shè)施或服務(wù)，如動物房或顯微鏡套房。

4.4 早期合作者在核心生物鑄造廠協(xié)議的開發(fā)過程中，建立少量早期合作可能會有助于開發(fā)關(guān)鍵工作流程和標準操作程序。這段時間可用于確定過程中的近似故障率，了解不同級別故障排除的成本和時間承諾，并制定質(zhì)量控制措施。這些信息對于管理未來的客戶關(guān)系以及對工作流時間框架和相關(guān)成本進行現(xiàn)實預(yù)測至關(guān)重要。

5 現(xiàn)場注意事項

5.1 集中式與分布式模型?生物鑄造廠可以物理上集中或分布。大多數(shù)設(shè)施目前都是集中的，即所有員工和機器都在一個位置/建筑物/房間。大多數(shù)管理者認為這是管理研究人員之間的溝通、簡化工作流程的一個優(yōu)勢。另一方面，也有成功的分布式生物鑄造廠的例子，有時具有顯著的地理分布。分布式模型的優(yōu)勢在于，它可以利用不同地點的既定能力，并為更廣泛的研究群體提供服務(wù)。然而，如果多個合作伙伴組織具有不同的治理方法或流程，分布式模型可能會出現(xiàn)治理問題。此外，在不同的地理位置設(shè)置站點可能意味著必須遵守多套法規(guī)。在這兩種模式中，生物鑄造廠設(shè)施通常與研究機構(gòu)或當?shù)禺a(chǎn)業(yè)共同安置。這種嵌入可以方便用戶/客戶端的訪問， 并可以促進協(xié)作信息交換。另一個好處是，它還可以為生物鑄造廠提供主辦機構(gòu)的可信度。這在運營初期和建立客戶群時尤其有利。

5.2 物理要求?生物鑄造廠的第二個場地考慮因素是設(shè)施所在空間的物理屬性。雖然標準的分子生物學實驗室可以變成生物鑄造廠，但根據(jù)資源的可用性，建議選擇具有以下特征的場所：（i）微生物風險組所需的防護基礎(chǔ)設(shè)施，以及機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)批準的轉(zhuǎn)基因生物（GMO）；（ii）至少 20 個長椅的空間（用于立即開發(fā)）；（iii）氣候控制/空調(diào)；（iv）真空和壓縮空氣管道；（v）接入三相電源；（vi）為每個要聯(lián)網(wǎng)的儀器提供足夠的以太網(wǎng)端口；（vii）至少 1.8 m 值的生物安全柜（BSC）2 級 空間；以及（viii）盡可能開放布局。

6 人員考慮

雖然對于一個專注于自動化的設(shè)施來說，這似乎并不直觀，但人員對生物鑄造廠的成功至關(guān)重要。事實上，可以說，員工是比自動化設(shè)備更重要的投資，以建立專有技術(shù)并確保長期運營的連續(xù)性。在生物鑄造廠建設(shè)中，有一種忽視這一點的傾向，這需要臨時獲得大量長期資金。

6.1 關(guān)鍵角色?平均而言，一個小型生物鑄造廠可能需要一個 5-10 人的團隊，擁有更大的設(shè)施和更多的分布式鑄造廠則需要更多的員工。生物鑄造廠的典型角色包括監(jiān)督生物鑄造廠運營并協(xié)助業(yè)務(wù)發(fā)展的高級管理人員、具有實驗室機器人經(jīng)驗的自動化專家、具有實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）和數(shù)據(jù)管理專業(yè)知識的軟件工程師、 管理數(shù)據(jù)和整合“學習”能力的數(shù)據(jù)科學家、進行實驗的技術(shù)人員、集成硬件和軟件的潛在的系統(tǒng)集成商（考慮到目前還不存在“標準化”生物鑄造廠解決方案）和科學總監(jiān)（通常被任命為兼職職位）。管理人員、研究人員/開發(fā)人員和技術(shù)人員之間的確切分布將因設(shè)施而異，但鑒于目前建立生物鑄造廠面臨的挑戰(zhàn)，關(guān)注雇傭研究人員/開發(fā)商并不罕見。隨著設(shè)施的重點從開發(fā)轉(zhuǎn)向日常運營，這種分布可能會發(fā)生變化。特定生物鑄造廠的開發(fā)策略（見上文）可能需要長期保留自動化、軟件和數(shù)據(jù)專家以及技術(shù)人員。持續(xù)培訓和員工發(fā)展途徑也是戰(zhàn)略中需要考慮的因素。

6.2 專有技術(shù)和隱性知識?盡管自動化生物鑄造廠的前景可能會讓人聯(lián)想到一個幾乎不需要人工投入 的未來，但任何這樣的未來充其量都是一段漫長的路。員工為經(jīng)營生物鑄造廠所帶來的具體技術(shù)遠非微不足道。這一訣竅體現(xiàn)在多個方面，從了解項目的特定目標和生物特性如何影響工作流設(shè)計，到在故障排除時能夠理清生物和機械故障源， 再到協(xié)調(diào)幕后所需的所有工作，以管理在遠處看起來“無縫”的工作流。Chris ?Mellingwood 在英國一家生物工廠的自動化博士研究中強調(diào)了鑄造操作員的“兩 棲”技能，需要深入了解“濕”生物和“干”機器人行為。隨著生物領(lǐng)域中物理、數(shù)字和生物元素的新的復(fù)雜配置的發(fā)展，跨“濕”和“干”領(lǐng)域的能力是一種罕見且 關(guān)鍵的專業(yè)知識。

6.3 工作保障和職業(yè)前景?確保生物鑄造廠員工的工作保障對于生物鑄造廠的順利運行至關(guān)重要，尤其是因為隨著時間的推移，他們積累了大量的專業(yè)知識。然而，留住合格的員工可能具有挑戰(zhàn)性，不僅從財務(wù)角度，而且從支持職業(yè)抱負的角度來看。建造和經(jīng)營一個生物鑄造廠需要相當多的科學和技術(shù)人才，但學術(shù)生物鑄造廠工作人員的職業(yè)道路尚未建立。在多個項目中擔任服務(wù)角色可能會使年輕的科學家/工程師很難找到與學術(shù)生涯相關(guān)的特定身份或出版物論文產(chǎn)出。（關(guān)于人類基因組計劃期 間面臨的類似挑戰(zhàn)的討論）。盡管如此，仍有機會圍繞生物鑄造廠的設(shè)置和運行以及解決重要科學問題，為基礎(chǔ)知識的產(chǎn)生做出貢獻，這一點在本集的幾篇論文中得到了證明。建議生物鑄造廠經(jīng)理采取的步驟包括制定員工保留計劃以確保持續(xù)提供服務(wù)，與個人合作制定職業(yè)發(fā)展計劃，在其服務(wù)和知識創(chuàng)造活動之間取得適當平衡，以及提升為研究論文做出貢獻的機會。

7 硬件注意事項

雖然這看起來不太明顯，但生物鑄造廠的核心設(shè)備可以說是微型板。標準化的SBS 足跡微孔板（標準 ANSI/SLAS 1-2004 至 ANSI/SLAS 4-2004），每個板有 96、384 或 1536 個孔，而不是經(jīng)典分子生物學實驗室中的核心容器——微離心管，是生物鑄造廠中樣本的主要載體。因此，正在考慮的用于生物鑄造廠的機器和軟件必須與微板兼容。圍繞微型板的這種定位既是一種技術(shù)考慮，也是實驗設(shè)計思維的一個重大轉(zhuǎn)變（見第 11 節(jié)）。

?7.1 液體處理器?

未來生物鑄造廠的第一個主要硬件投資可能是液體處理機器人。

曼森生物高通量全自動液體處理機器人

使用手動移液管執(zhí)行的大多數(shù)程序可適用于自動移液管或聲學液體處理器。有多種不同價位的工具選項；一般來說，機器人的尺寸和可靠性是價格的函數(shù)（回報遞減）。開放式硬件和伴隨的低成本自動化平臺的開發(fā)和可用性日益多樣化，這可能為開發(fā)成本較低的生物鑄造廠提供機會。設(shè)施計劃的協(xié)議類型應(yīng)考慮液體處理機器人的采購決策。例如，如果需要廣泛的協(xié)議，那么就需要一個具有相當程度適應(yīng)性的處理程序。當然，在生物鑄造廠開發(fā)的早期階段，這可能是一種情況，其中單個移液處理器可用于執(zhí)行大多數(shù)過程。根據(jù)儀器的不同，處理器的適應(yīng)性可通過平臺附件或可互換部件來實現(xiàn)。或者可以在運動范圍和移液頭選擇性方面賦予適應(yīng)性。例如，處理器可以在移液頭上具有可互換的部件，用于根據(jù)尖端數(shù)量或尖端尺寸（移液體積）選擇移液管尖端?；蛘?，處理器可以具有單個移液頭，該移液頭可以改變所選擇的尖端的數(shù) 量和大小。作為這一點的一部分，考慮儀器的預(yù)期吞吐量。是否有必要使用 96 管移液頭，或是降低（8 或 12 管）或更高（348 管）的移液容量是最佳的？這些考慮因素應(yīng)與對工藝中使用的儀器和商用套件所需耗材類型和費用的研究相結(jié)合。

7.2 附加設(shè)備?將液體處理器視為給定工作流程的中心元素，然后可以將注意力轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn) DBTL 循環(huán)的特定元素所需的額外高通量設(shè)備。例如，一種常見的生物鑄造廠方案可能是在 96 孔板中構(gòu)建轉(zhuǎn)基因大腸桿菌。該過程的每個步驟都可以映射并與特定的自動化硬件相關(guān)聯(lián)。輸入部分通常是所需預(yù)處理最少的合成 DNA 或使用微板兼容熱循環(huán)儀從源模板通過 PCR 擴增的 DNA。然后，可以使用具有挑選能力的液體處理器將特定的 DNA 部分與質(zhì)粒骨架結(jié)合，然后在熱循環(huán)儀中進行循環(huán)以連接片段。然后，可以使用具有適當加熱和振動能力的液體處理器進行生物轉(zhuǎn)化和電鍍。對于菌落拾取，有自動菌落拾取機器人（圖 3）。對每個計劃的核心工作流程重復(fù)此流程映射練習，有助于確定設(shè)備采購的優(yōu)先級。同樣重要的是， 要考慮對產(chǎn)出進行初步評估可能需要什么樣的基本分析設(shè)備。一些生物鑄造廠列 出了他們使用的特定設(shè)備。

圖 3 將手動工作流映射到自動工作流。該圖描述了一個典型的繪圖練習，其中 DNA 組裝和隨后的細菌轉(zhuǎn)化正在考慮自動化。在第一步中，將試管中使用的試劑映射到微板布局。接下來，代替手動移液，實施自動分配。對于小體積的 PCR 反應(yīng)或 DNA 組裝，聲學液體處理器將是很好的選擇。接下來，需要具有 96 孔或 384 孔板格式的熱循環(huán)儀。對于包括通過 PCR 擴增 DNA 的工作流程，包括評估擴增片段的質(zhì)量控制步驟。在低產(chǎn)量的人工方法中， 這將使用標準凝膠電泳完成。在自動設(shè)置中，這可以在 96 孔格式的自動 DNA 分析儀中完成。接下來，使用手動工作流中的移液管設(shè)置和執(zhí)行熱沖擊反應(yīng)，而這可以通過自動液體處理器執(zhí)行。最后，在轉(zhuǎn)化和過夜生長后，使用您選擇的工具從培養(yǎng)皿中挑選菌落，或使用自動菌落選擇器進行挑選。
所有生物鑄造廠設(shè)備的采購應(yīng)考慮到未來可能的自動化集成。需要注意的是， 設(shè)備費用不限于機器的購買價格。消耗品可能很昂貴，在高通量生物鑄造廠中， 它們的使用量將比在非自動化實驗室中更大。機器維護合同每年也可高達原始采購成本的 15%。一些鑄造廠選擇不支付單個設(shè)備的維護成本，而是將潛在的維護成本納入年度財務(wù)計劃。

曼森生物高通量發(fā)酵平臺

曼森生物針對生物技術(shù)流程中涉及到的人、機、料、法、數(shù)進行了重構(gòu)以滿足合成生物技術(shù)的發(fā)展所需的自動化、高通量、智能化的軟硬件。針對實驗室自動化方向曼森開發(fā)了系列自動化產(chǎn)品以滿足市場上高通量篩選、檢測的需求；針對生物過程，曼森獨立自主技術(shù)開發(fā)了高通量平行反應(yīng)器以滿足合成生物技術(shù)對菌株驗證、配方和工藝開發(fā)等需求；針對培養(yǎng)基，曼森生物提供300多種標準化培養(yǎng)基，可幫助客戶快速完成培養(yǎng)基配制。

合成生物技術(shù)是未來生物技術(shù)發(fā)展的大趨勢，曼森生物竭誠為在路上的生物領(lǐng)域朋友們提供服務(wù)。

上海研發(fā)基地：上海市徐匯區(qū)嘉川路245號華東理工科技園

浙江創(chuàng)新基地：浙江省嘉興市海鹽縣武原街道鹽北西路1130號醫(yī)療產(chǎn)業(yè)園B幢3層

未完待續(xù)

信息來源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7998708/

Mediacenter Editor?|?曼森編輯

文章來源：本文由中科院上海生命科學信息中心與曼森生物合作供稿

排版校對：劉娟娟編輯?

內(nèi)容審核：郝玉有博士

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