《合成生物学》——建造生物铸造厂（中）
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编者按
跟踪智慧实验室的理论研究发展状况、产业发展动态、主要设备供应商产品研发动态、国内外智慧实验室建设成果现状等信息内容。本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿。
生物铸造厂提供自动化和分析基础设施，以支持生物系统工程。它允许科学家在高通量规模上进行合成生物学和并行实验，大大增加了可以针对任何给定问题进行检查的解决方案空间。然而，建立生物铸造厂是一项具有挑战性的工作，必须解决许多技术和操作问题。本期推文，编译了 Maciej B Holowko 等发表在 Synthetic Biology 期刊上的论文《建造生物铸造厂》（Building a biofoundry），作者概述了在建立生物铸造厂之前和建立过程中应考虑的几个问题。
其中包括建立的驱动因素、体制模式、资金和收入模式、人员、硬件和软件、数据管理、互操作性、客户参与和生物安全问题。建立和运营的高成本意味着，在融资框架、实际和潜在客户基础以及成本结构的背景下，开发生物铸造厂可持续性的长期商业模式至关重要。此外，由于生物铸造厂正在引领生物工程实验设计的概念转变，因此需要与研究界保持持续的联系和参与，以扩大客户群。认识到所需的重大长期金融投资，并了解运营的复杂性，对于可持续的生物铸造厂投资至关重要。为了确保将最先进的技术纳入规划，建议与现有设施和社区团体（如全球生物铸造厂联盟）广泛接触。
文章篇幅较长，将分为三期讲述，感谢关注！
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目录 /CONTENTS
01引言
02建立生物铸造厂的基本原理
03机构和融资模式
04发展战略和客户参与
05现场注意事项
06人员考虑
07硬件注意事项
08软件注意事项
09自动化和集成策略
10数据访问注意事项
11文化和培训注意事项
12生物安全和生物安保考虑因素
13结论
4 发展战略和客户参与
生物铸造厂设计的核心是建立与客户和合作者（无论是学术和/或商业用户） 的互动模式。在开发服务模型时，重要的是要记住，有效的工程包括对用户需求 /愿望的清晰理解（即以用户为中心的设计）。也就是说，生物铸造厂的尖端性质意味着，在更广泛的研究群体中，对生物铸造厂能为它们做什么的理解可能仍然有限（见第 11 节）。许多研究人员不知道，允许自动执行关键基因工程实验室协议的技术已经可用，可以常规使用。需要与当前和潜在用户群进行持续讨论，并制定迭代开发策略。由于市场规模和客户需求通常需要对物理基础设施进行并行开发，因此至关重要的是从小规模开始，并与生物铸造厂设施有机发展，以使设施满足需求，而不会过度资本化。
4.1 可用服务
生物铸造厂的焦点可以是狭窄的，也可以是广阔的。在实践中，不同的生物铸造厂往往专注于合成生物学的不同方面，例如，专注于特定的生物体或应用领域，或专注于生物设计空间内的不同类型的服务或基础技术。应根据客户需求和可用设备确定生物铸造厂的特定生态位。当前铸造厂的大部分核心工作集中于“构建”和“测试”能力，特别是 DNA 组件的高通量构建、细胞系的转化和基本产品验证。设施客户通常希望进行自己 的分析（“测试”）工作，或希望生物实验室进行最低限度的内部测试。合成生物学工作流的模块化允许客户选择何时何地进入和离开服务管道，并从一组可互换 的模块中构建定制管道（图 2）。
图 2 生物铸造厂服务的模块化性质。给定生物铸造厂提供的服务可以很容易地分为功 能模块，并且可以允许客户混合和匹配模块和/或服务以更好地满足他们的需求。
基本高通量工作流程的一个示例可以包括 DNA 合成、构建体组装、细菌/酵母转化、菌落挑选、分类和 DNA/RNA 回收。设备有限的生物铸造厂可能选择与其他设施合作或外包，以补充或扩展工作流程。这可能包括测序、细胞分类、蛋白质组学或代谢组学研究和数据分析。一些最需要的测试能力是流式细胞术、微板读数测定、荧光活化细胞分选和高通量微生物反应器。
曼森生物高通量平行生物反应器
如果给定的设施具有特定的重点或应用领域（例如，用于化学生产的菌株构建；用于工厂转化的大型菌株构建），则开发的可用设备和工作流程应支持这些应用。与生物铸造厂开发的其他方面一样，特定设施的分析能力应符合客户的需求。
4.2 服务模式生物铸造厂服务模式与其他科学服务提供平台和核心设施相似，因为该模式 取决于资金和客户基础。迄今为止使用的模型提供了不同程度的设施访问，从仅设备访问和培训计划到全面的内部服务。融资模式从完全成本回收（有或无利润）到部分成本回收，再到完全补贴的准入。对于同时拥有学术和行业客户的设施， 通常会看到一个分层成本模型结合了几个不同的成本回收水平。较低的回收率通常面向学术用户，较高的回收率来自工业/商业客户，利用利润补贴学术客户。
4.3 用户参与 客户参与和关系管理是任何服务模式的核心。项目参与的早期讨论要点包括 客户“必须拥有”、“喜欢拥有”以及项目成果中不需要的内容。在更高层次上， 当前的客户需求和预计的未来客户需求应该是长期规划和增长的驱动力。这包括 新设备采购、协议制定和员工招聘计划。对于以成本回收模式运营的设施，客户参与必须包括围绕每个样品/培养盘/ 单位的成本进行讨论。由于面向自动化的耗材每单位成本可能更高，因此，为没有自动化的情况下执行的相同协议提供比较成本（时间和劳动力）可能是有用的。如果核心生物铸造厂吸收了部分成本，客户应了解与收费成本相关的全部项目成本。此外，有必要让客户参与关于生物铸造厂准入的未来规划的讨论，例如在赠款申请中。服务提供商或客户不应低估规划相关成本的必要性。应将其视为类似于规划使用其他核心设施或服务，如动物房或显微镜套房。
4.4 早期合作者在核心生物铸造厂协议的开发过程中，建立少量早期合作可能会有助于开发关键工作流程和标准操作程序。这段时间可用于确定过程中的近似故障率，了解不同级别故障排除的成本和时间承诺，并制定质量控制措施。这些信息对于管理未来的客户关系以及对工作流时间框架和相关成本进行现实预测至关重要。
5 现场注意事项
5.1 集中式与分布式模型 生物铸造厂可以物理上集中或分布。大多数设施目前都是集中的，即所有员工和机器都在一个位置/建筑物/房间。大多数管理者认为这是管理研究人员之间的沟通、简化工作流程的一个优势。另一方面，也有成功的分布式生物铸造厂的例子，有时具有显著的地理分布。分布式模型的优势在于，它可以利用不同地点的既定能力，并为更广泛的研究群体提供服务。然而，如果多个合作伙伴组织具有不同的治理方法或流程，分布式模型可能会出现治理问题。此外，在不同的地理位置设置站点可能意味着必须遵守多套法规。在这两种模式中，生物铸造厂设施通常与研究机构或当地产业共同安置。这种嵌入可以方便用户/客户端的访问， 并可以促进协作信息交换。另一个好处是，它还可以为生物铸造厂提供主办机构的可信度。这在运营初期和建立客户群时尤其有利。
5.2 物理要求 生物铸造厂的第二个场地考虑因素是设施所在空间的物理属性。虽然标准的分子生物学实验室可以变成生物铸造厂，但根据资源的可用性，建议选择具有以下特征的场所：（i）微生物风险组所需的防护基础设施，以及机构和监管机构批准的转基因生物（GMO）；（ii）至少 20 个长椅的空间（用于立即开发）；（iii）气候控制/空调；（iv）真空和压缩空气管道；（v）接入三相电源；（vi）为每个要联网的仪器提供足够的以太网端口；（vii）至少 1.8 m 值的生物安全柜（BSC）2 级 空间；以及（viii）尽可能开放布局。
6 人员考虑
虽然对于一个专注于自动化的设施来说，这似乎并不直观，但人员对生物铸造厂的成功至关重要。事实上，可以说，员工是比自动化设备更重要的投资，以建立专有技术并确保长期运营的连续性。在生物铸造厂建设中，有一种忽视这一点的倾向，这需要临时获得大量长期资金。
6.1 关键角色 平均而言，一个小型生物铸造厂可能需要一个 5-10 人的团队，拥有更大的设施和更多的分布式铸造厂则需要更多的员工。生物铸造厂的典型角色包括监督生物铸造厂运营并协助业务发展的高级管理人员、具有实验室机器人经验的自动化专家、具有实验室信息管理系统（LIMS）和数据管理专业知识的软件工程师、 管理数据和整合“学习”能力的数据科学家、进行实验的技术人员、集成硬件和软件的潜在的系统集成商（考虑到目前还不存在“标准化”生物铸造厂解决方案）和科学总监（通常被任命为兼职职位）。管理人员、研究人员/开发人员和技术人员之间的确切分布将因设施而异，但鉴于目前建立生物铸造厂面临的挑战，关注雇佣研究人员/开发商并不罕见。随着设施的重点从开发转向日常运营，这种分布可能会发生变化。特定生物铸造厂的开发策略（见上文）可能需要长期保留自动化、软件和数据专家以及技术人员。持续培训和员工发展途径也是战略中需要考虑的因素。
6.2 专有技术和隐性知识 尽管自动化生物铸造厂的前景可能会让人联想到一个几乎不需要人工投入 的未来，但任何这样的未来充其量都是一段漫长的路。员工为经营生物铸造厂所带来的具体技术远非微不足道。这一诀窍体现在多个方面，从了解项目的特定目标和生物特性如何影响工作流设计，到在故障排除时能够理清生物和机械故障源， 再到协调幕后所需的所有工作，以管理在远处看起来“无缝”的工作流。Chris Mellingwood 在英国一家生物工厂的自动化博士研究中强调了铸造操作员的“两 栖”技能，需要深入了解“湿”生物和“干”机器人行为。随着生物领域中物理、数字和生物元素的新的复杂配置的发展，跨“湿”和“干”领域的能力是一种罕见且 关键的专业知识。
6.3 工作保障和职业前景 确保生物铸造厂员工的工作保障对于生物铸造厂的顺利运行至关重要，尤其是因为随着时间的推移，他们积累了大量的专业知识。然而，留住合格的员工可能具有挑战性，不仅从财务角度，而且从支持职业抱负的角度来看。建造和经营一个生物铸造厂需要相当多的科学和技术人才，但学术生物铸造厂工作人员的职业道路尚未建立。在多个项目中担任服务角色可能会使年轻的科学家/工程师很难找到与学术生涯相关的特定身份或出版物论文产出。（关于人类基因组计划期 间面临的类似挑战的讨论）。尽管如此，仍有机会围绕生物铸造厂的设置和运行以及解决重要科学问题，为基础知识的产生做出贡献，这一点在本集的几篇论文中得到了证明。建议生物铸造厂经理采取的步骤包括制定员工保留计划以确保持续提供服务，与个人合作制定职业发展计划，在其服务和知识创造活动之间取得适当平衡，以及提升为研究论文做出贡献的机会。
7 硬件注意事项
虽然这看起来不太明显，但生物铸造厂的核心设备可以说是微型板。标准化的SBS 足迹微孔板（标准 ANSI/SLAS 1-2004 至 ANSI/SLAS 4-2004），每个板有 96、384 或 1536 个孔，而不是经典分子生物学实验室中的核心容器——微离心管，是生物铸造厂中样本的主要载体。因此，正在考虑的用于生物铸造厂的机器和软件必须与微板兼容。围绕微型板的这种定位既是一种技术考虑，也是实验设计思维的一个重大转变（见第 11 节）。
7.1 液体处理器
未来生物铸造厂的第一个主要硬件投资可能是液体处理机器人。
曼森生物高通量全自动液体处理机器人
使用手动移液管执行的大多数程序可适用于自动移液管或声学液体处理器。有多种不同价位的工具选项；一般来说，机器人的尺寸和可靠性是价格的函数（回报递减）。开放式硬件和伴随的低成本自动化平台的开发和可用性日益多样化，这可能为开发成本较低的生物铸造厂提供机会。设施计划的协议类型应考虑液体处理机器人的采购决策。例如，如果需要广泛的协议，那么就需要一个具有相当程度适应性的处理程序。当然，在生物铸造厂开发的早期阶段，这可能是一种情况，其中单个移液处理器可用于执行大多数过程。根据仪器的不同，处理器的适应性可通过平台附件或可互换部件来实现。或者可以在运动范围和移液头选择性方面赋予适应性。例如，处理器可以在移液头上具有可互换的部件，用于根据尖端数量或尖端尺寸（移液体积）选择移液管尖端。或者，处理器可以具有单个移液头，该移液头可以改变所选择的尖端的数 量和大小。作为这一点的一部分，考虑仪器的预期吞吐量。是否有必要使用 96 管移液头，或是降低（8 或 12 管）或更高（348 管）的移液容量是最佳的？这些考虑因素应与对工艺中使用的仪器和商用套件所需耗材类型和费用的研究相结合。
7.2 附加设备 将液体处理器视为给定工作流程的中心元素，然后可以将注意力转向实现 DBTL 循环的特定元素所需的额外高通量设备。例如，一种常见的生物铸造厂方案可能是在 96 孔板中构建转基因大肠杆菌。该过程的每个步骤都可以映射并与特定的自动化硬件相关联。输入部分通常是所需预处理最少的合成 DNA 或使用微板兼容热循环仪从源模板通过 PCR 扩增的 DNA。然后，可以使用具有挑选能力的液体处理器将特定的 DNA 部分与质粒骨架结合，然后在热循环仪中进行循环以连接片段。然后，可以使用具有适当加热和振动能力的液体处理器进行生物转化和电镀。对于菌落拾取，有自动菌落拾取机器人（图 3）。对每个计划的核心工作流程重复此流程映射练习，有助于确定设备采购的优先级。同样重要的是， 要考虑对产出进行初步评估可能需要什么样的基本分析设备。一些生物铸造厂列 出了他们使用的特定设备。
图 3 将手动工作流映射到自动工作流。该图描述了一个典型的绘图练习，其中 DNA 组装和随后的细菌转化正在考虑自动化。在第一步中，将试管中使用的试剂映射到微板布局。接下来，代替手动移液，实施自动分配。对于小体积的 PCR 反应或 DNA 组装，声学液体处理器将是很好的选择。接下来，需要具有 96 孔或 384 孔板格式的热循环仪。对于包括通过 PCR 扩增 DNA 的工作流程，包括评估扩增片段的质量控制步骤。在低产量的人工方法中， 这将使用标准凝胶电泳完成。在自动设置中，这可以在 96 孔格式的自动 DNA 分析仪中完成。接下来，使用手动工作流中的移液管设置和执行热冲击反应，而这可以通过自动液体处理器执行。最后，在转化和过夜生长后，使用您选择的工具从培养皿中挑选菌落，或使用自动菌落选择器进行挑选。
所有生物铸造厂设备的采购应考虑到未来可能的自动化集成。需要注意的是， 设备费用不限于机器的购买价格。消耗品可能很昂贵，在高通量生物铸造厂中， 它们的使用量将比在非自动化实验室中更大。机器维护合同每年也可高达原始采购成本的 15%。一些铸造厂选择不支付单个设备的维护成本，而是将潜在的维护成本纳入年度财务计划。
曼森生物高通量发酵平台
曼森生物针对生物技术流程中涉及到的人、机、料、法、数进行了重构以满足合成生物技术的发展所需的自动化、高通量、智能化的软硬件。针对实验室自动化方向曼森开发了系列自动化产品以满足市场上高通量筛选、检测的需求；针对生物过程，曼森独立自主技术开发了高通量平行反应器以满足合成生物技术对菌株验证、配方和工艺开发等需求；针对培养基，曼森生物提供300多种标准化培养基，可帮助客户快速完成培养基配制。
合成生物技术是未来生物技术发展的大趋势，曼森生物竭诚为在路上的生物领域朋友们提供服务。
上海研发基地：上海市徐汇区嘉川路245号华东理工科技园
浙江创新基地：浙江省嘉兴市海盐县武原街道盐北西路1130号医疗产业园B幢3层
未完待续
信息来源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7998708/
Mediacenter Editor | 曼森编辑
文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿
排版校对：刘娟娟编辑
内容审核：郝玉有博士
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