自動(dòng)化為構(gòu)建各種奇奇怪怪的新型有機(jī)體帶來了成千上萬種可能性。
2016年11月，Ginkgo Bioworks公司的合成生物學(xué)家舉起盛滿轉(zhuǎn)基因啤酒的酒杯慶祝新自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室的建成。通過將工程學(xué)原理應(yīng)用于生物學(xué)，在先進(jìn)機(jī)器人設(shè)備的協(xié)助下，Ginkgo公司建立了一家工廠，用于生產(chǎn)一些形態(tài)奇特的生命，可以說在地球上是前所未見。
他們喝的自釀酒就是這種合成生物學(xué)的一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。合成生物學(xué)作為一個(gè)新的領(lǐng)域，就是基于基因組組裝方法所取得的最新進(jìn)展所形成的。現(xiàn)在，科學(xué)家們可以制造合成DNA片段，并將其導(dǎo)入生物體，增加一些奇怪的特性。例如，用于制作慶祝派對(duì)啤酒的酵母擁有來自于橘子樹的基因。在發(fā)酵的過程中，這些基因會(huì)使酵母產(chǎn)生朱欒倍半萜，一種有柑橘味道的有機(jī)化合物。用科學(xué)的語言來說，就是這種啤酒很好喝。
Ginkgo Bioworks是一家位于波士頓的年輕公司，最近剛剛籌集到了1億美元，旨在發(fā)現(xiàn)更多有用的合成生物學(xué)應(yīng)用。其中一部分資金用于建設(shè)其新的大型實(shí)驗(yàn)室Bioworks2，這間實(shí)驗(yàn)室利用機(jī)器人系統(tǒng)建立生物體流水線。
Ginkgo需要實(shí)現(xiàn)微生物的大規(guī)模生產(chǎn)，以明確哪些能夠成為客戶的微型生物工廠。很多轉(zhuǎn)基因的生物體都會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，但通過高度組織化的試錯(cuò)，生物工程師們將最終找到一種微生物，達(dá)到人們想要的效果——就像是用于香水、飲料、殺蟲劑或洗滌劑的化學(xué)組分一樣。
該公司的業(yè)務(wù)模式以微生物（而不是最終的制成品）為中心。“我們不是在制造化學(xué)物質(zhì)、味道或香味。”Ginkgo公司的創(chuàng)意總監(jiān)克里斯蒂娜?阿加帕奇斯（ChristinaAgapakis）解釋道，“我們是專業(yè)的微生物制造商，和負(fù)責(zé)產(chǎn)品生產(chǎn)的客戶是伙伴關(guān)系。”她說，Ginkgo公司為其客戶提供使用微生物的許可，并從客戶的使用中收取使用費(fèi)。
不過，要想制造出符合規(guī)格的微生物并不是一件容易的事。我們對(duì)基因的了解仍然非常有限；也沒有一套通用的基因清單列出每一個(gè)人的特征。即使研究人員知道某個(gè)基因?qū)τ陂僮訕鋪碚f意味著什么，當(dāng)他們把該基因段導(dǎo)入酵母細(xì)胞時(shí)，該基因段也可能會(huì)與橘子樹本身的DNA產(chǎn)生意想不到的反應(yīng)。如果把不同物種的幾個(gè)基因段導(dǎo)入該酵母細(xì)胞，則情況更為復(fù)雜。
設(shè)計(jì)生命：
Ginkgo Bioworks公司
如何實(shí)現(xiàn)生物體的個(gè)性化定制
1：設(shè)計(jì) 生物體設(shè)計(jì)師從一系列動(dòng)植物中選取基因，并將其用上百種方法進(jìn)行組合。每一個(gè)組合都是一個(gè)獨(dú)特的DNA片段。
2：制造 機(jī)器人設(shè)備將所有的片段導(dǎo)入各個(gè)酵母細(xì)胞中，并融入其DNA，改變酵母功能。
3：測(cè)試 Ginkgo公司的客戶希望這些轉(zhuǎn)基因的酵母能生產(chǎn)出一些獨(dú)特的產(chǎn)品。光譜儀器對(duì)所有的酵母細(xì)胞進(jìn)行分析，以便找出是否獲得了想要的產(chǎn)品。
4：擴(kuò)大規(guī)模 Ginkgo公司將其最好的制造機(jī)器放到生物反應(yīng)器中，看其在產(chǎn)業(yè)規(guī)模下的表現(xiàn)。所學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以幫助生物體設(shè)計(jì)師們?yōu)橄乱惠喌脑囼?yàn)做出更好的選擇。
這也就是為什么Ginkgo公司采取的是生物工程方法，嚴(yán)格地將設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試周期法應(yīng)用到活體微生物的生產(chǎn)中。Ginkgo公司生物體設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人帕特里克?波義耳（PatrickBoyle）表示，新實(shí)驗(yàn)室的高度自動(dòng)化對(duì)于應(yīng)用該方法至關(guān)重要。“在讀研究生時(shí)，可能我有5個(gè)最好的想法，我會(huì)把這5個(gè)想法都試一遍。”波義耳說，“在這里，我們則有1000種，我們會(huì)把這1000種想法都試一遍，看看哪個(gè)能夠達(dá)到我們預(yù)期的效果。”
為了更好地理解其實(shí)際工作原理，我們以Ginkgo公司在香水領(lǐng)域所做的首次嘗試為例。該公司正在與一家法國的香水制造商合作研究一種可以釋放出玫瑰精油的酵母，因?yàn)閺拿倒寤ò曛刑崛≡撐镔|(zhì)非常昂貴。
設(shè)計(jì)：Ginkgo公司的設(shè)計(jì)師們從文獻(xiàn)中尋找可以使酵母產(chǎn)生有益酶的基因。目標(biāo)是，當(dāng)設(shè)計(jì)師們向酵母中加糖時(shí)，這些酶應(yīng)使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終釋放出玫瑰精油。這里有大量的候選基因和酶。“如果你有100種可能的酶可以用于4步中的1步，那么就說明還是有很大的設(shè)計(jì)空間可以探索的。”波義耳表示。
制造：Ginkgo公司把合成DNA的實(shí)際制造進(jìn)行了外包。當(dāng)一批做好的DNA到達(dá)Ginkgo公司時(shí)，處理液體的機(jī)器人就會(huì)把這些基因段加入酵母細(xì)胞中，制造出新的生物體。“在我讀博士期間，我花了很多的時(shí)間把微量液體移來移去。”創(chuàng)意總監(jiān)阿加帕奇斯說，“當(dāng)我們剛剛創(chuàng)辦Ginkgo公司時(shí)，很多機(jī)器人都看起來像是長著8只手的研究生——有很多的移液管。”隨著這些機(jī)器人能力的不斷提高，工藝也逐漸得到了改進(jìn)。現(xiàn)在，Ginkgo公司的液體處理機(jī)器人可以利用定向聲音脈沖來實(shí)現(xiàn)納升級(jí)液體的快速移動(dòng)。
測(cè)試：機(jī)器人制造出1000個(gè)包含各類基因的酵母變種后，就該看看這些細(xì)胞能不能釋放出玫瑰精油了。大型的光譜機(jī)器可以打開細(xì)胞，檢查里面的所有分子，尋找產(chǎn)物，確定該酵母是否健康。但健康并不一定意味著該生物體可以滿足客戶的需求。波義耳說，對(duì)于玫瑰精油來說，Gingko公司對(duì)每一種酵母的整體“香味屬性”進(jìn)行了研究。一個(gè)細(xì)胞可以產(chǎn)生某些有用的香味分子，也可以產(chǎn)生其他的無用分子。“我喜歡新鮮出爐的面包的香味，但如果你賣的是香水是那個(gè)味兒，可就不太好了。”波義耳說。
擴(kuò)大規(guī)模：Ginkgo公司在正常的工程周期中加入了一個(gè)額外的步驟，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室中看似勝利的轉(zhuǎn)基因酵母細(xì)胞可能在客戶的發(fā)酵缸里卻不起什么作用。在實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)角落里，機(jī)器人系統(tǒng)負(fù)責(zé)填滿和監(jiān)測(cè)臺(tái)式的生物反應(yīng)器，利用各類感應(yīng)器監(jiān)視內(nèi)部的流程。
如果其最好的酵母都不符合要求的話，那么公司的生物體設(shè)計(jì)師們就得重新開始設(shè)計(jì)，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于指導(dǎo)下一批1000種最佳猜想。Gingko公司的生物工程師說，終有一天，他們將制造出完美的批次——聞起來就像是一朵玫瑰花。
作者：ElizaStrickland