高度自动化机器人助力微生物产业，尝一口橘子味的转基因啤酒吧

编者按：本文将介绍一家很有趣的初创公司 Ginkgo Bioworks 。作为合成生物领域的开拓者，该公司利用时下最先进的机器人自动化技术，对微生物进行批量生产。

由于合成生物领域的应用前景被看好，波士顿初创公司 Ginkgo Bioworks 最近成功融资一亿美元。该公司用其中的一部分，投资建立了新的生物实验室 ——Bioworks 2。该实验室利用机器人系统，建立了一套微生物生产线。

看起来像流水线工厂的 Bioworks 2 生物实验室

上个月， Ginkgo Bioworks 的研究员们畅饮转基因啤酒，以庆祝全新自动化实验室的建立。它是一个名副其实的生物工厂。通过把工程学的法则应用于生物，再利用灵敏的机器设备，研究人员在里面创造出了各种千奇百怪的生命形态——全是前所未有的人工合成微生物。

这个领域就是大名鼎鼎的合成生物学，它建立在飞速发展的基因组组装技术的基础上：科学家们制作合成 DNA 片段，把它们插入活的微生物组织，来赋予这些小生命一些奇奇怪怪的“超能力”。

他们喝的转基因啤酒，就是一个把合成生物学应用于实际生活的鲜活例子。研究人员把橘子树的基因插入了啤酒酵母的基因组中。发酵过程中，这些基因使酵母产生了一种名为巴伦西亚橘烯的物质：一种有柑橘香味的有机化合物。酿出的啤酒有天然橘子芳香（流口水~）。

Ginkgo 公司需要批量生产微生物，才能从中找出合格的“生物工厂”，然后提供给客户。生产出来的大多数微生物是没用的。通过对测试和错误率严格把关，生物工程师们总能找到他们想要的微生物个体：这些个体能生产出特定的化合物，客户用它们制作香水、酒、杀虫剂或者洗衣粉。

Ginkgo 的商业模式聚焦在微生物上，他们不生产终端产品。Ginkgo 创意总监 Christina Agapakis 说：“我们不是生产化学物质、香精、香水的公司，我们专营微生物。生产终端产品是与我们合作的客户的事。” Ginkgo 把微生物授权给客户，如果客户使用这些产品，我们就会得到酬劳。

创意总监 Christina Agapakis 

但是，制造一个特定规格的微生物不是一件简单的事。基因领域仍然有许多谜团，我们并不知道每条基因的属性。即便知道，也无法预测它与其它基因结合的后果。

举例来说，假设研究人员很清楚某橘子树基因的作用，但把它插入酵母基因组之后，它可能会与酵母基因产生各种各样的反应。当他们把多组基因插入同一个酵母基因组，问题更会变得超级、超级复杂。

这就是为什么 Ginkgo 决定用工程学的方式管理生物研究。他们的微生物制造严格按照“设计-制作-测试”的产品开发周期。做到这一点离不开新实验室的高度自动化，使研究人员批量测试微生物。­Ginkgo 微生物设计总监 Patrick Boyle 说：

“在学校做研究时，我一般拿出最好的五个想法做试验。但在这里，我们会把 1000 个好想法全都试一遍，看看哪一个效果最好。”

用酵母菌生产玫瑰精油

为了更好理解他们是怎么运作的，我们来看看早期 Ginkgo 的一项香水业务：Ginkgo 与一家法国香水制造商 Robertet 合作，为后者生产能分泌出玫瑰精油的酵母菌。而这是由于从玫瑰花瓣上提取精油十分昂贵。

• 设计： Ginkgo 设计师们查询学术文献，寻找能让酵母菌产生有用的酶的基因。目标：当设计师给酵母菌喂糖吃，这些酶能让它发生一系列化学反应，最终产生玫瑰精油。但是潜在的酶、基因选项数量是极其可观的。Patrick Boyle 说：“酶的选择，是四个设计环节中的其中一个。如果有 100 个潜在的酶，就会有无数的设计方案。”

  

  微生物设计师需要从各类的动植物中选择基因，再把它们以成百上千种不同的方法组合再一起。每一种组合产生了独一无二的 DNA 片段。

• 制造：Ginkgo 把生产合成 DNA 的工作外包给第三方。当 Ginkgo 收到新一批 DNA，由移液机器人把基因片段插入到酵母菌中，来制造新的微生物。Christina Agapakis 说：“做博士研究的时候，我花了大量时间移动这些微量液体。在 Ginkgo 刚成立的时候，这些工作已经都由机器人来完成。它们就好像有八条手臂的博士生——一个机器人就能操作很多移液管。”这个过程现在更快，因为机器人不断升级，变得更高效。Ginkgo 最新的移液机器人，能够使用定向声波脉冲，极快地移动只有几纳升的液体。

  

  机器人系统把这些基因片段插入不同的酵母菌细胞中。他们与酵母菌原本的基因整合在一起，成为新的个体

• 测试：当机器人制作出不同基因组合成的上千个酵母菌变种，就到了测试它们能不能生产出玫瑰精油的时间了。批量光谱测定仪器会打开酵母菌细胞，检查里面所有的分子，寻找玫瑰精油，并判断这个酵母菌细胞是否健康。但这还不能保证筛选出来的微生物能满足客户的要求。

  Gingko 必须研究每个酵母菌细胞的总体香味。一个产生玫瑰精油的细胞，可能同时分泌出有其它香味的物质。Patrick Boyle 说，有的酵母菌有新鲜烤出来的面包的味道，他特别喜欢。但是你不能用它做香水。

  

  Ginkgo 的客户需要转基因的酵母菌来制作特定产品。光谱测定仪器会分析所有的酵母菌细胞，检查它们是否能生产客户需要的物质。

• 扩大规模： Ginkgo 向传统产品开发周期加入了一个额外步骤。因为测试出的符合要求的微生物，未必在客户的发酵池里有理想的表现。在实验室的一角，机器系统会把一排台式生物反应器注满酵母菌，然后监测繁殖过程。

  

Ginkgo 把筛选出的、最好的酵母菌个体放到生物反应器里培养，观察他们在工业规模下的繁殖情况。验证结果会帮助他们在下一轮实验中做选择。

如果最好的酵母菌也不能达到要求，Ginkgo 的微生物设计师会返回绘图板重新设计，参考实验结果，做出下一批 1000 个最可能成功的猜测。他们说，总有一天，会找到一个完美的产品——闻起来跟玫瑰花一样的酵母菌。

小结：Ginkgo 能如此高效得批量化设计、制造、测试、培养微生物，离不开高度自动化的机器人系统。如果没有这套系统，Ginkgo 的工作效率会降低许多倍。机器人技术在各个领域的突破，把以往耗时久、回报周期长、利润率低的行业转变为高效、可迅速盈利的朝阳产业。可以预见，未来的二十年，机器人和自动化技术的进步会为更多领域带来类似变革。而对于创业公司来说，这些发生技术迭代的领域将是布满商业机会的“黄金地段”。

via ieee

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