《合成生物学》——建造生物铸造厂（上）
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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！
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
Part.1
引言
目前，超过 40 个国家制定了与“生物经济”（生物科学的经济潜力）和/或合成生物学相关的国家战略，包括美国、英国和澳大利亚学术研究院理事会（ACOLA）报告。在许多这些战略中，合成生物学能力的增长被认为是科学和经济竞争力的关键。大多数人认为，一个全面的国家基础设施平台对于发展和提高合成生物学能力至关重要。通过生物铸造厂提供的高通量能力可以满足这一目标。生物铸造厂是一种集成的分子生物学设施，包括机器人液体处理设备、高通量分析设备以及运行设备和更广泛生物铸造厂能力所需的软件、人员和数据管理系统。生物铸造厂将合成生物学与自动化工程相结合，以创建新的高通量生物解决方案，帮助构建和加强生物工程的设计-构建-测试-学习（DBTL）方法（图 1）。
图 1 设计-构建-学习-测试周期。生物铸造厂通常关注周期的构建和测试方面，但这并不是一个固定的规则；例如，一个设施可以通过开发数据分析和机器学习方法，更加注重学习能力。
随着北美、欧洲和亚太地区的学术和商业设施的建立，生物铸造厂在世界各地越来越受欢迎。2019 年成立了全球非商业生物铸造厂联盟（GBA），共有 16 个创始成员；2020 年已增至 27 名成员。GBA 的核心目标包括在各个设施中开发最佳实践，共享信息和资源，提高这些设施的可见性和支持。
建立一个生物铸造厂是一项重大投资，需要的不仅仅是建立一个设备齐全的物理空间。对高通量方法的强调需要同时关注软件、协议以及物理和数字基础设施的集成，以有效地准备和跟踪样本。在这方面，生物铸造厂正处于生物工程向更自动化、更专注于设计的创业模式转变的前沿。在这篇综述中，作者概述了与生物铸造厂的设置和运行相关的关键技术、组织和运营问题。重点是学术而非商业生物铸造，尽管两者之间有明显的重叠，一些建议可能适用于商业铸造厂。作者主要根据其位置区分学术和商业生物铸造厂，学术铸造厂位于学术机构或政府实验室，商业设施在学术背景之外运营。学术和商业生物铸造厂的目标客户群、融资和盈利模式以及可持续性/增长目标存在广泛差异。学术生物铸造厂通常侧重于支持研究社区和转化活动，而商业生物铸造厂更侧重于商业客户和投资回报。最近创建了一个专门促进和支持非商业生物设施的 GBA，这表明这些设施的长期发展和可持续性面临着共同的挑战。这篇综述的目标是分享作者在建立和运营学术生物铸造厂方面所学到的知识。
Part.2
建立生物铸造厂的基本原理
生物铸造厂提供了加速合成生物学研究和应用的能力。它们还促进了经济上重要的生物工程产品和生物的开发。这是获得这一能力的战略和经济驱动力的基础，因此，世界各地对其建立的兴趣和活动越来越大。然而，生物铸造厂需要大量且持续的投资，因此在进行之前，建立明确的理由和可靠的商业案例非常重要。作为业务案例开发的一部分，应考虑以下关键问题：
2.1 预计生产量（市场需求）在大多数生物铸造厂中出现的设备能够显著提高产量。生物铸造厂的生产能力很少得到充分利用；了解需求或愿望（市场需求）对于确保长期有效地利用生物铸造厂的能力至关重要。这种能力通常超过单个实验室的需求，因此确定合作者和/或客户，无论是部门或机构内部还是外部，都是确定设施可行性的重要步骤。市场饱和、特定研究社区的生物铸造厂过多或较小研究社区的客户可用性不足，都可能导致设施失败和重大设施投资损失。避免这种结果的一种方法是由国家资助机构制定协调的资助计划，最好是作为国家生物经济战略的一部分。
2.2 投资规模生物铸造厂需要大量的时间和人力资本来建立和运营。建立和支持生物铸造厂所需的资金量取决于设施的预期规模和范围，但必须超出购买机器人、高通量设备的范围，还要包括消耗品、软件和对技术人员建立和运行设施的支持。在寻求投资时，需要为这些要素中的每一项作出规定。来自本国机构的长期支持，包括对企业性质和规模的了解，至关重要。
2.3 实验性质 通过使用自动化来执行大量重复的标准化任务，生物铸造厂可以显著增加生物工程的生产量和设计空间。工作流的模块化允许混合和匹配方法，并在 DBTL 工程生物周期中提供的服务中引入了灵活性（图 1）。然而，与其他类型的实验相比，某些类型的实验更适合于高生产量、自动化的工作流程。需要对实验工作流程进行持续小（或大）调整的研究项目应考虑完整的生物铸造厂是否是满足其需求的最合适的解决方案，或者将关键的、单个的高通量设备（如液体处理器）纳入其工作流程是否能满足其需求。专注于引进关键的、单独的设备也可以成为资源较低的环境寻求发展其生物工程能力的一种策略。
Part.3
机构和融资模式
生物铸造厂通常是由一个公共部门实体为购买关键机器人设备提供大量战略资金，但往往没有充分考虑到长期可持续性。最初的整体资金必须与其他持续的资金来源相匹配，因为运营生物铸造厂的成本很高：它们需要专业人员、昂贵的设备和大量消耗品，以及长期的设备维护和升级成本。这些成本被单独列为确保可持续性的挑战。寻找资金的方法各不相同，在某种程度上取决于国家和机构的资金结构和优先事项。对于基于单个研究小组或学术机构的生物铸造厂，持续的资金可能是关键基础设施拨款的一部分。相关活动可能会得到大量补贴或赠款资助，以确保研究所成员能够参与。具有国家前景的生物铸造厂可能由公共/政府资金和赠款资金的组合提供资金，这是支持整个学术界和行业的国家能力的关键驱动因素。对于没有这些持续支持机制的生物铸造厂，中长期可持续性的关键是建立核心客户基础和适当的服务模式（详见下篇第 4 节发展战略和客户参与）。对客户群的评估应超越主办机构，扩展到更广泛的国家和国际研究界。这些策略需要大量的客户/社区参与。它们还可以导致确定额外的资金来源和替代资金模式。
曼森生物自动化高通量平台
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。以上详见官网产品介绍。
www.mc-bio.cn
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。
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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