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編者按

跟蹤智慧實(shí)驗(yàn)室的理論研究發(fā)展?fàn)顩r、產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)、主要設(shè)備供應(yīng)商產(chǎn)品研發(fā)動(dòng)態(tài)、國(guó)內(nèi)外智慧實(shí)驗(yàn)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(xué)信息中心與曼森生物合作供稿。

生物鑄造廠提供自動(dòng)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(xué)家在高通量規(guī)模上進(jìn)行合成生物學(xué)和并行實(shí)驗(yàn)，大大增加了可以針對(duì)任何給定問(wèn)題進(jìn)行檢查的解決方案空間。然而，建立生物鑄造廠是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，必須解決許多技術(shù)和操作問(wèn)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(guò)程中應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題。其中包括建立的驅(qū)動(dòng)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(wèn)題。建立和運(yùn)營(yíng)的高成本意味著，在融資框架、實(shí)際和潛在客戶基礎(chǔ)以及成本結(jié)構(gòu)的背景下，開(kāi)發(fā)生物鑄造廠可持續(xù)性的長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(kuò)大客戶群。認(rèn)識(shí)到所需的重大長(zhǎng)期金融投資，并了解運(yùn)營(yíng)的復(fù)雜性，對(duì)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(jìn)的技術(shù)納入規(guī)劃，建議與現(xiàn)有設(shè)施和社區(qū)團(tuán)體（如全球生物鑄造廠聯(lián)盟）廣泛接觸。?
文章篇幅較長(zhǎng)，將分為三期講述，感謝關(guān)注！

目錄

CONTENTS

01引言

02建立生物鑄造廠的基本原理?

03機(jī)構(gòu)和融資模式

04發(fā)展戰(zhàn)略和客戶參與

05現(xiàn)場(chǎng)注意事項(xiàng)

06人員考慮

07硬件注意事項(xiàng)

08軟件注意事項(xiàng)

09自動(dòng)化和集成策略

10數(shù)據(jù)訪問(wèn)注意事項(xiàng)?

11文化和培訓(xùn)注意事項(xiàng)

12生物安全和生物安?？紤]因素

13結(jié)論

Part.1

引言

目前，超過(guò) 40 個(gè)國(guó)家制定了與“生物經(jīng)濟(jì)”（生物科學(xué)的經(jīng)濟(jì)潛力）和/或合成生物學(xué)相關(guān)的國(guó)家戰(zhàn)略，包括美國(guó)、英國(guó)和澳大利亞學(xué)術(shù)研究院理事會(huì)（ACOLA）報(bào)告。在許多這些戰(zhàn)略中，合成生物學(xué)能力的增長(zhǎng)被認(rèn)為是科學(xué)和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。大多數(shù)人認(rèn)為，一個(gè)全面的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)對(duì)于發(fā)展和提高合成生物學(xué)能力至關(guān)重要。通過(guò)生物鑄造廠提供的高通量能力可以滿足這一目標(biāo)。生物鑄造廠是一種集成的分子生物學(xué)設(shè)施，包括機(jī)器人液體處理設(shè)備、高通量分析設(shè)備以及運(yùn)行設(shè)備和更廣泛生物鑄造廠能力所需的軟件、人員和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。生物鑄造廠將合成生物學(xué)與自動(dòng)化工程相結(jié)合，以創(chuàng)建新的高通量生物解決方案，幫助構(gòu)建和加強(qiáng)生物工程的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)（DBTL）方法（圖 1）。?

圖 1 設(shè)計(jì)-構(gòu)建-學(xué)習(xí)-測(cè)試周期。生物鑄造廠通常關(guān)注周期的構(gòu)建和測(cè)試方面，但這并不是一個(gè)固定的規(guī)則；例如，一個(gè)設(shè)施可以通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，更加注重學(xué)習(xí)能力。

隨著北美、歐洲和亞太地區(qū)的學(xué)術(shù)和商業(yè)設(shè)施的建立，生物鑄造廠在世界各地越來(lái)越受歡迎。2019 年成立了全球非商業(yè)生物鑄造廠聯(lián)盟（GBA），共有 16 個(gè)創(chuàng)始成員；2020 年已增至 27 名成員。GBA 的核心目標(biāo)包括在各個(gè)設(shè)施中開(kāi)發(fā)最佳實(shí)踐，共享信息和資源，提高這些設(shè)施的可見(jiàn)性和支持。?

建立一個(gè)生物鑄造廠是一項(xiàng)重大投資，需要的不僅僅是建立一個(gè)設(shè)備齊全的物理空間。對(duì)高通量方法的強(qiáng)調(diào)需要同時(shí)關(guān)注軟件、協(xié)議以及物理和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的集成，以有效地準(zhǔn)備和跟蹤樣本。在這方面，生物鑄造廠正處于生物工程向更自動(dòng)化、更專注于設(shè)計(jì)的創(chuàng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變的前沿。在這篇綜述中，作者概述了與生物鑄造廠的設(shè)置和運(yùn)行相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)、組織和運(yùn)營(yíng)問(wèn)題。重點(diǎn)是學(xué)術(shù)而非商業(yè)生物鑄造，盡管兩者之間有明顯的重疊，一些建議可能適用于商業(yè)鑄造廠。作者主要根據(jù)其位置區(qū)分學(xué)術(shù)和商業(yè)生物鑄造廠，學(xué)術(shù)鑄造廠位于學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或政府實(shí)驗(yàn)室，商業(yè)設(shè)施在學(xué)術(shù)背景之外運(yùn)營(yíng)。學(xué)術(shù)和商業(yè)生物鑄造廠的目標(biāo)客戶群、融資和盈利模式以及可持續(xù)性/增長(zhǎng)目標(biāo)存在廣泛差異。學(xué)術(shù)生物鑄造廠通常側(cè)重于支持研究社區(qū)和轉(zhuǎn)化活動(dòng)，而商業(yè)生物鑄造廠更側(cè)重于商業(yè)客戶和投資回報(bào)。最近創(chuàng)建了一個(gè)專門促進(jìn)和支持非商業(yè)生物設(shè)施的 GBA，這表明這些設(shè)施的長(zhǎng)期發(fā)展和可持續(xù)性面臨著共同的挑戰(zhàn)。這篇綜述的目標(biāo)是分享作者在建立和運(yùn)營(yíng)學(xué)術(shù)生物鑄造廠方面所學(xué)到的知識(shí)。

Part.2

建立生物鑄造廠的基本原理

生物鑄造廠提供了加速合成生物學(xué)研究和應(yīng)用的能力。它們還促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)上重要的生物工程產(chǎn)品和生物的開(kāi)發(fā)。這是獲得這一能力的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力的基礎(chǔ)，因此，世界各地對(duì)其建立的興趣和活動(dòng)越來(lái)越大。然而，生物鑄造廠需要大量且持續(xù)的投資，因此在進(jìn)行之前，建立明確的理由和可靠的商業(yè)案例非常重要。作為業(yè)務(wù)案例開(kāi)發(fā)的一部分，應(yīng)考慮以下關(guān)鍵問(wèn)題：
?2.1 預(yù)計(jì)生產(chǎn)量（市場(chǎng)需求）在大多數(shù)生物鑄造廠中出現(xiàn)的設(shè)備能夠顯著提高產(chǎn)量。生物鑄造廠的生產(chǎn)能力很少得到充分利用；了解需求或愿望（市場(chǎng)需求）對(duì)于確保長(zhǎng)期有效地利用生物鑄造廠的能力至關(guān)重要。這種能力通常超過(guò)單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的需求，因此確定合作者和/或客戶，無(wú)論是部門或機(jī)構(gòu)內(nèi)部還是外部，都是確定設(shè)施可行性的重要步驟。市場(chǎng)飽和、特定研究社區(qū)的生物鑄造廠過(guò)多或較小研究社區(qū)的客戶可用性不足，都可能導(dǎo)致設(shè)施失敗和重大設(shè)施投資損失。避免這種結(jié)果的一種方法是由國(guó)家資助機(jī)構(gòu)制定協(xié)調(diào)的資助計(jì)劃，最好是作為國(guó)家生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的一部分。
?2.2 投資規(guī)模生物鑄造廠需要大量的時(shí)間和人力資本來(lái)建立和運(yùn)營(yíng)。建立和支持生物鑄造廠所需的資金量取決于設(shè)施的預(yù)期規(guī)模和范圍，但必須超出購(gòu)買機(jī)器人、高通量設(shè)備的范圍，還要包括消耗品、軟件和對(duì)技術(shù)人員建立和運(yùn)行設(shè)施的支持。在尋求投資時(shí)，需要為這些要素中的每一項(xiàng)作出規(guī)定。來(lái)自本國(guó)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期支持，包括對(duì)企業(yè)性質(zhì)和規(guī)模的了解，至關(guān)重要。?
2.3 實(shí)驗(yàn)性質(zhì)?通過(guò)使用自動(dòng)化來(lái)執(zhí)行大量重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)，生物鑄造廠可以顯著增加生物工程的生產(chǎn)量和設(shè)計(jì)空間。工作流的模塊化允許混合和匹配方法，并在 DBTL 工程生物周期中提供的服務(wù)中引入了靈活性（圖 1）。然而，與其他類型的實(shí)驗(yàn)相比，某些類型的實(shí)驗(yàn)更適合于高生產(chǎn)量、自動(dòng)化的工作流程。需要對(duì)實(shí)驗(yàn)工作流程進(jìn)行持續(xù)?。ɑ虼螅┱{(diào)整的研究項(xiàng)目應(yīng)考慮完整的生物鑄造廠是否是滿足其需求的最合適的解決方案，或者將關(guān)鍵的、單個(gè)的高通量設(shè)備（如液體處理器）納入其工作流程是否能滿足其需求。專注于引進(jìn)關(guān)鍵的、單獨(dú)的設(shè)備也可以成為資源較低的環(huán)境尋求發(fā)展其生物工程能力的一種策略。?

Part.3

機(jī)構(gòu)和融資模式

生物鑄造廠通常是由一個(gè)公共部門實(shí)體為購(gòu)買關(guān)鍵機(jī)器人設(shè)備提供大量戰(zhàn)略資金，但往往沒(méi)有充分考慮到長(zhǎng)期可持續(xù)性。最初的整體資金必須與其他持續(xù)的資金來(lái)源相匹配，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)生物鑄造廠的成本很高：它們需要專業(yè)人員、昂貴的設(shè)備和大量消耗品，以及長(zhǎng)期的設(shè)備維護(hù)和升級(jí)成本。這些成本被單獨(dú)列為確?？沙掷m(xù)性的挑戰(zhàn)。尋找資金的方法各不相同，在某種程度上取決于國(guó)家和機(jī)構(gòu)的資金結(jié)構(gòu)和優(yōu)先事項(xiàng)。對(duì)于基于單個(gè)研究小組或?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)的生物鑄造廠，持續(xù)的資金可能是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施撥款的一部分。相關(guān)活動(dòng)可能會(huì)得到大量補(bǔ)貼或贈(zèng)款資助，以確保研究所成員能夠參與。具有國(guó)家前景的生物鑄造廠可能由公共/政府資金和贈(zèng)款資金的組合提供資金，這是支持整個(gè)學(xué)術(shù)界和行業(yè)的國(guó)家能力的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。對(duì)于沒(méi)有這些持續(xù)支持機(jī)制的生物鑄造廠，中長(zhǎng)期可持續(xù)性的關(guān)鍵是建立核心客戶基礎(chǔ)和適當(dāng)?shù)姆?wù)模式（詳見(jiàn)下篇第 4 節(jié)發(fā)展戰(zhàn)略和客戶參與）。對(duì)客戶群的評(píng)估應(yīng)超越主辦機(jī)構(gòu)，擴(kuò)展到更廣泛的國(guó)家和國(guó)際研究界。這些策略需要大量的客戶/社區(qū)參與。它們還可以導(dǎo)致確定額外的資金來(lái)源和替代資金模式。

曼森生物自動(dòng)化高通量平臺(tái)

曼森生物針對(duì)生物技術(shù)流程中涉及到的人、機(jī)、料、法、數(shù)進(jìn)行了重構(gòu)以滿足合成生物技術(shù)的發(fā)展所需的自動(dòng)化、高通量、智能化的軟硬件。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化方向曼森開(kāi)發(fā)了系列自動(dòng)化產(chǎn)品以滿足市場(chǎng)上高通量篩選、檢測(cè)的需求；針對(duì)生物過(guò)程，曼森獨(dú)立自主技術(shù)開(kāi)發(fā)了高通量平行反應(yīng)器以滿足合成生物技術(shù)對(duì)菌株驗(yàn)證、配方和工藝開(kāi)發(fā)等需求；針對(duì)培養(yǎng)基，曼森生物提供300多種標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)基，可幫助客戶快速完成培養(yǎng)基配制。以上詳見(jiàn)官網(wǎng)產(chǎn)品介紹。

www.mc-bio.cn

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

未完待續(xù)

信息來(lái)源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7998708/

Mediacenter Editor?|?曼森編輯

文章來(lái)源：本文由中科院上海生命科學(xué)信息中心與曼森生物合作供稿

排版校對(duì)：劉娟娟編輯?

內(nèi)容審核：郝玉有博士

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