深圳先進院合成所研究員司同
「這是合成生物學界的一次『登月』行動，我們想探索人類構建生命的上限。」近日，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）研究員司同接受記者採訪時表示。司同所說的「登月」，離不開位於深圳光明區的合成生物大設施。他在大設施建設中擔任總工藝師。
「如果說合成生物學是像搭積木一樣搭建生物，那合成生物設施就是將這一技術從傳統的『手工作業』，轉變為大規模自動化的機器作業。」司同表示，「這將為我們面臨的資源、能源、健康、環境和安全等重大挑戰，提供全新的解決方案。」
從概念機到全球首個大設施
司同表示，合成生物學，簡單來說，就是像組裝機器一樣組配生物，像搭樂高積木一樣搭建擁有特定功能的人造生命。
而由於生命的高度複雜性，目前還無法進行理性設計，意味著需要海量實驗和不斷「試錯」。傳統的「手工作坊」式研究難以滿足需求，人們需要一位效率更高且永不疲倦的自動化助手來協助研究，合成生物大設施應運而生。
據悉，深圳於2018年啟動籌建大設施，總投資近8億元（不含基建）。今年8月，由深圳先進院牽頭建設的腦解析與腦模擬、合成生物研究兩大市級重大科技基礎設施項目總概算獲批覆。
「目前大設施已經進入開工建設階段，我前期主要工作是細化科學和應用目標，明確大設施要做些什麼；設計並優化工藝路線（即怎麼做），然後在預算內，最大化地去構建一個性能好的大設施。」司同表示。
合成生物設施的效率到底有多高？據悉，目前美國伊利諾伊大學香檳分校的合成生物設施，每天可建造多達1000個特定序列蛋白，每個造價不到3美元，成本僅為人工製造的千分之三。
值得一提的是，學術界首個全自動合成生物設施的概念機，正是司同在香檳分校開展博士和博士後研究期間參與研發的。「我們的實驗需要經常構建突變體庫，大家每天都在篩選突變體，於是就想能不能設計一臺設備，來幫忙做這件機械化的事，」司同表示，「然後就有了合成生物大設施的第一臺概念機。」
此後，這臺概念機的模式複製到了全球多個實驗室。此次深圳的合成生物大設施，規模將是概念機的30倍以上。
合成生物大設施自動化功能島
從2000個「積木」到2000萬個
組裝一臺機器需要成千上萬個零件，而搭建生物則需要幾千萬甚至更多。就像給機器輸入指令一樣，生物體的搭建，同樣需要DNA鹼基和序列這樣的「零件」，不斷地按照特定順序排列而成。
事實上，人們已將細胞自我複製的原理，用於醬油、醋、酸奶等製作，俗稱發酵。而合成生物學家們要做的，則是對自然界中已有的生物細胞，甚至對生命進行「理性設計」，為人們解決實際問題。
比如司同團隊與中糧集團合作，關注糧食安全問題。下雨天后作物很容易發黴，尤其在南方，而由此造成的真菌毒素汙染，已成為我國食品安全和飼料安全的重要隱患。
「降解毒素的一個潛在方法是利用酶進行生物脫毒，但大部分天然酶降解效率低、穩定性差，難以大規模應用。」司同說，「此時就需要經工程改造的人工降解酶登場了。」
如何快速合成最有效的那個酶？依託合成生物大設施，可以大規模地構建並快速自動篩選。據悉，目前測試速度從30分鐘縮短至5秒左右，單個樣品的處理成本從200元降低到了0.1元以下。「酶的定向進化於2018年獲得了諾貝爾化學獎，這一技術本身已非常成熟，但檢測速度和成本是瓶頸。而我們是在原有基礎上進一步提高了開發的效率。」司同表示。
不斷開發新的儀器設備，研究人員同時用機器人將這些設備連接起來，實現自動化作業。「從化學合成的200個鹼基『零件』出發，根據鹼基序列的可複製性，使細胞中的2000個鹼基『零件』變成2000萬個鹼基『零件』，就像堆積木一樣，最終搭建起生物系統。」司同表示，這一思路可用於藥物合成、DNA合成、生物發酵等。尤其在疫情期間，提高研發的自動化程度，同時也減少了人員接觸。
合成生物學除了創造全新的「已知」，還能探索過去的未知。
據司同介紹，其團隊目前在和南方科技大學海洋系合作，探尋地球生命起源問題。「認為生物由細菌、古菌和真核生物三大類組成，是目前的主流分類方法之一，但具體怎麼起源的還不清楚。」據悉，通過分析現存物種和化石中的生物分子，團隊用合成生物學方法將古老已經滅絕的生命過程「復活」，為探索生命的起源提供實驗證據。
從香檳分校到深圳先進院
去年4月，在伊利諾伊大學香檳分校幫自己的博士導師、國際著名合成生物學專家趙惠民教授慶祝完50歲生日後，司同啟程來到深圳先進院。合成生物大設施的項目建設正等待他的加入。
「從2018年大設施啟動籌建，我就一直有關注，這是合成生物學界一件令人激動的事。」司同表示。
選擇來到深圳，也是對這裡的信息產業和智能製造業有信心。「有一次實驗室的一臺進口設備『罷工』了，跟國外廠家聯繫後只能整機更換，費用很高，經排查發現其實只是裡面的一個元器件出了問題。」司同告訴記者，「後來我們的工程師在深圳定製國產元器件進行更換和維修，解決了問題。」
此外，司同選擇來到深圳先進院，也是因為這裡學科交叉的團隊和氛圍，不同專業領域合作非常活躍。「合成生物設施建設是複雜的系統工程，需要生物、信息、自動化等多學科的深度整合和協同攻關，深圳先進院具備這樣的能力和環境。」司同說。
「從事合成生物學的人，最大的夢想就是，隨著技術的發展，將來有可能像編程一樣，在計算機上輸入一些指令，就能設計出一個全新的生物體。」司同表示，「未來我們也會探索合成動物和植物。」
版權聲明：凡本網註明「來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜誌」的所有作品，網站轉載，請在正文上方註明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯繫授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。