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司同
“这是合成生物学界的一次‘登月’行动 ， 我们想进一步探索人类构建生命的上限 。 ”近日 ， 中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）研究员司同接受采访人员采访时表示 。
司同所说的“登月” ， 更需要借助位于深圳光明区的合成生物大设施 。 他目前担任此次大设施建设的总工艺师 。
“如果说合成生物学是像搭积木一样搭建生物 ， 那合成生物设施就是将这一技术从传统的‘手工作业’ ， 转变为大规模自动化的机器作业 。 ”司同表示 ， “这将为我们面临的资源、能源、健康、环境和安全等重大挑战 ， 提供全新的解决方案 。 ”
从概念机到全球首个大设施
合成生物学简单来说 ， 就是像组装机器一样组配生物 ， 像搭乐高积木一样搭建拥有特定功能的人造生命 。
由于生命的高度复杂性 ， 目前还无法进行理性设计 ， 这意味着需要海量实验和不断“试错” 。 传统的“手工作坊”式研究难以满足需求 ， 人们需要一位效率更高且永不疲倦的自动化“助手”协助研究 ， 合成生物大设施应运而生 。
【设施|边“搭积木”，边探索生命“密码”】据悉 ， 深圳于2018年启动筹建大设施 ， 总投资近8亿元（不含基建） 。 去年8月 ， 由深圳先进院牵头建设的脑解析与脑模拟、合成生物研究两大市级重大科技基础设施项目总概算获批复 。
“目前大设施已经进入开工建设阶段 ， 前期主要工作是细化科学和应用目标 ， 明确大设施要做些什么；设计并优化工艺路线 ， 然后在预算内 ， 最大化地去构建一个性能好的大设施 。 ”司同表示 。
合成生物设施的效率到底有多高？据悉 ， 目前美国伊利诺伊大学香槟分校的合成生物设施 ， 每天可建造多达1000个特定序列蛋白 ， 每个造价不到3美元 ， 成本仅为人工制造的千分之三 。
值得一提的是 ， 学术界首个全自动合成生物设施的概念机 ， 正是司同在香槟分校开展博士和博士后研究期间参与研发的 。 “我们的实验需要经常构建突变体库 ， 大家每天都在筛选突变体 ， 就想能不能设计一台设备 ， 帮忙做这件机械化的事 。 ”司同表示 ， 随后就有了合成生物大设施的第一台概念机 。
此后 ， 这台概念机的模式复制到了全球多个实验室 。 而此次深圳的合成生物大设施 ， 规模将超过上述概念机的30倍 。
从2000个“积木”到2000万个
组装一台机器需要成千上万个零件 ， 而搭建生物则需要几千万甚至更多 。 就像给机器输入指令一样 ， 生物体的搭建 ， 同样需要DNA碱基和序列这样的“零件” ， 不断地按照特定顺序排列而成 。
事实上 ， 人们已将细胞自我复制的原理 ， 用于酱油、醋、酸奶等制作 ， 俗称发酵 。 而合成生物学家要做的 ， 则是对自然界中已有的生物细胞 ， 甚至对生命进行“理性设计” ， 为人们解决实际问题 。
比如 ， 司同团队目前正与中粮集团联手解决粮食安全问题 。 下雨天作物很容易发霉 ， 尤其在南方 ， 而由此造成的真菌毒素污染 ， 已成为我国食品安全和饲料安全的重要隐患 。
“降解毒素的一个潜在方法是利用酶进行生物脱毒 ， 但大部分天然酶降解效率低、稳定性差 ， 难以大规模应用 。 ”司同说 ， 这就需要经工程改造的人工降解酶登场了 。
如何快速合成最有效的酶？依托合成生物大设施 ， 可以大规模地构建并快速自动筛选 。 据悉 ， 目前测试速度从30分钟缩短至5秒左右 ， 单个样品的处理成本从200元降低到了0.1元以下 。 “酶的定向进化于2018年获得了诺贝尔化学奖 ， 这一技术本身已非常成熟 ， 但检测速度和成本是瓶颈 。 而我们是在原有基础上进一步提高了开发的效率 。 ”司同表示 。
不断开发新的仪器设备 ， 研究人员同时用机器人将这些设备连接起来 ， 实现自动化作业 。 “从化学合成的200个碱基‘零件’出发 ， 根据碱基序列的可复制性 ， 使细胞中的2000个碱基‘零件’变成2000万个碱基‘零件’ ， 就像堆积木一样 ， 最终搭建起生物系统 。 ”司同表示 ， 这一思路可用于药物合成、DNA合成、生物发酵等 。 尤其在疫情期间 ， 这一设备不仅提高了研发的自动化程度 ， 同时也减少了人员接触 。
合成生物学除了创造全新的“已知” ， 还能探索过去的未知 。
据司同介绍 ， 其团队目前在与南方科技大学海洋系合作 ， 探寻地球生命起源问题 。 “生物由细菌、古菌和真核生物三大类组成 ， 是目前的主流分类方法之一 ， 但具体是怎么起源的还不清楚 。 ”此次 ， 团队通过分析现存物种和化石中的生物分子 ， 用合成生物学方法将古老已经灭绝的生命过程“复活” ， 为探索生命的起源提供实验证据 。
从香槟分校到深圳先进院
2019年4月 ， 在伊利诺伊大学香槟分校为自己的导师、国际著名合成生物学专家赵惠民庆祝完50岁生日后 ， 司同启程来到深圳先进院 。
“从2018年大设施启动筹建 ， 我就一直关注 ， 这是合成生物学界一件令人激动的事 。 ”司同表示 。
选择来到深圳 ， 也是因为司同对这里的信息产业和智能制造业有信心 。 “有一次实验室的一台进口设备‘罢工’了 ， 与国外厂家联系后只能整机更换 ， 费用很高 ， 经排查发现其实只是里面的一个元器件出了问题 。 ”司同告诉采访人员 ， 后来工程师在深圳定制国产元器件进行更换和维修 ， 迅速解决了上述问题 。
此外 ， 司同选择来到深圳先进院 ， 也是因为这里有学科交叉的团队和氛围 ， 不同专业领域合作非常活跃 。 “合成生物设施建设是复杂的系统工程 ， 需要生物、信息、自动化等多学科的深度整合和协同攻关 ， 深圳先进院具备这样的能力和环境 。 ”
“从事合成生物学的人 ， 最大的梦想就是 ， 随着技术的发展 ， 将来有可能像编程一样 ， 在计算机上输入一些指令 ， 就能设计出一个全新的生物体 。 ”司同希望 ， 未来能探索合成动物和植物 。 （刁雯蕙 严偲偲）
[责任编辑: 张梦凡 ]
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