一手訪(fǎng)談，為你呈現中國在合成生物學(xué)自動(dòng)化平臺和基礎設施建設中的努力和思考。
司同為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)先進(jìn)院）的博士生導師。以下為文章正文。
作為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所博士生導師，司同在帶領(lǐng)課題組的同時(shí)，還肩負著(zhù)一個(gè)重要任務(wù)——作為總工藝師搭建“深圳合成生物研究重大科技基礎設施”，或者叫“合成生物大設施”，旨在將工業(yè) 4.0 當中的信息化、智能化、云端實(shí)驗室等一些新技術(shù)或數字化的新應用整合進(jìn)合成生物學(xué)，進(jìn)一步加強合成生物學(xué)自動(dòng)化、智能化的研究。
這位年輕的海歸科學(xué)家，對于推進(jìn)我國的合成生物學(xué)自動(dòng)化心懷赤忱。2018年司同從美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校（UIUC）博士后出站時(shí)，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)合成所）劉陳立所長(cháng)找到了他，力邀司同加入合成所，搭建全球最大規模自動(dòng)化合成生物學(xué)平臺。這和司同的理念非常契合，他毅然來(lái)到深圳，加入了深圳先進(jìn)院合成所。
司同有著(zhù)在頂級的學(xué)術(shù)殿堂深造的求學(xué)和科研經(jīng)歷。2005年，他本科就讀于清華大學(xué)化生基科班，2009年于UIUC攻讀博士，在趙惠民教授研究組進(jìn)行博士和博士后研究，期間參與設計、搭建、運行和升級了全球學(xué)術(shù)界首個(gè)全自動(dòng)的合成生物研究平臺 iBioFAB，全稱(chēng)是 Illinois Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing。
司同帶領(lǐng)的課題組關(guān)注合成生物前沿技術(shù)開(kāi)發(fā)，如機器學(xué)習輔助蛋白工程、基因組定向進(jìn)化、高通量質(zhì)譜篩選等，用于燃料、藥物等重要分子的研究與生產(chǎn)。在Nature Communications、JACS、Metabolic Engineering 等國學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文40余篇，“谷歌學(xué)術(shù)”引用超過(guò)2000次，H指數21。獲國家優(yōu)秀自費留學(xué)生、Baxter青年科學(xué)家獎、美國化工協(xié)會(huì )AIChE年會(huì )分會(huì )場(chǎng)主席等榮譽(yù)。
值得一提的是，司同研究的自動(dòng)化合成生物技術(shù)及其相關(guān)的工程化平臺對于合成生物研究乃至生物研究有重大的促進(jìn)作用。2019年，來(lái)自全球8個(gè)國家的16所頂尖合成生物設施機構聯(lián)合發(fā)起成立了 Global Biofoundry Alliance——國際合成生物設施聯(lián)盟。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院是我國的發(fā)起單位之一。
未來(lái)百科：首先請司同博士對《未來(lái)百科》的讀者們進(jìn)行一下自我介紹。
司同：2005年我進(jìn)入了清華大學(xué)化生基礎科研班，2009年畢業(yè)之后去了美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校（UIUC）趙惠民教授的合成生物學(xué)實(shí)驗室。趙惠民老師博士期間師從2018年諾貝爾化學(xué)獎得主 Frances Arnold 教授。
我接觸到合成生物學(xué)是大學(xué)三年級的時(shí)候， 在當時(shí)參加了iGEM比賽（國際基因工程機器大賽）。大四的時(shí)候，趙惠民教授去清華大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)，我跟趙老師聊了之后決定去他的實(shí)驗室讀博，那時(shí)候最火的方向是通過(guò)合成生物學(xué)來(lái)做生物能源。
對于合成生物學(xué)來(lái)說(shuō)，大家可能經(jīng)常聽(tīng)到設計、構建、測試、學(xué)習這些詞，而我在博士期間主要關(guān)注構建，嘗試用自動(dòng)化系統在代謝通路和基因組水平上去構建不同的庫。
2014年，我博士畢業(yè)后繼續留在了UIUC，Jonathan Sweedler教授和Wilfred van der Donk院士這兩位分析化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)方向的老師成為了我的博士后導師。那時(shí)候我發(fā)現，大規模構建完成后，測試成為一個(gè)限速步驟，比如一周可能做一個(gè)幾百萬(wàn)的建庫都沒(méi)有太大問(wèn)題，但是測試需要一個(gè)一個(gè)測，特別是酶、細胞工廠(chǎng)等等，每一個(gè)樣品30分鐘，一周最多就測幾百個(gè)，以這個(gè)速度永遠是測不完的。
領(lǐng)域傳統做法是針對每個(gè)分子分別開(kāi)發(fā)高通量篩選方法；在博士后階段，我開(kāi)始考慮不應該每一個(gè)分子去造一套方法，這樣難以規?；?，最好是基于一個(gè)非常通用的測試方法，例如質(zhì)譜，提高其通量，所以博士后階段我主要就在做這件事情，首先把測試速度提上來(lái)，并開(kāi)始做一些串接的工作。
2018年我開(kāi)始在美國找教職，當時(shí)拿到了普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等單位on site面試，但是那時(shí)候美國的科研經(jīng)費已經(jīng)比較緊張了，所有機構均表示無(wú)法提供足夠的啟動(dòng)經(jīng)費來(lái)搭建新的自動(dòng)化生物學(xué)平臺。我此前和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所劉陳立所長(cháng)一直有聯(lián)系，他在2018年告訴我，先進(jìn)院牽頭從深圳市獲批近十億經(jīng)費來(lái)構建合成生物學(xué)自動(dòng)化設施，而這正是我一直致力推動(dòng)的，在趙惠民教授實(shí)驗室時(shí)，我就參與搭建了學(xué)術(shù)界當時(shí)第一個(gè)全自動(dòng)合成生物學(xué)平臺iBioFAB。因此，與劉所長(cháng)一拍即合，我幾乎沒(méi)有猶豫就決定來(lái)到深圳，加入了先進(jìn)院合成所。
未來(lái)百科：你覺(jué)得當時(shí)在清華大學(xué)化生基礎科學(xué)班，對于后來(lái)的科研有哪些幫助？
司同：我是2005年進(jìn)入清華大學(xué)化生基礎科學(xué)班的，當時(shí)學(xué)校已經(jīng)認識到了學(xué)科交叉的重要性。首先就是思維方式，然后就是在這里可以盡早地接觸科研。在這學(xué)習期間，通過(guò)讓大家跨學(xué)科交流和做項目，讓大家認識到真實(shí)世界當中的實(shí)際問(wèn)題，并去嘗試解決問(wèn)題，我覺(jué)得這些教育的理念設計是比較成功的。
未來(lái)百科：你為什么會(huì )對合成生物學(xué)的自動(dòng)化感興趣，并建設合成生物學(xué)自動(dòng)化平臺呢？
司同：合成生物學(xué)自動(dòng)化跟平常的制造業(yè)自動(dòng)化不一樣，需要在微觀(guān)層面去操作生命，不是宏觀(guān)機器人可以直接做到的。另外，生命過(guò)于復雜，需要先暴力求解，拿到解后，再通過(guò)逆向工程去研究原理，這就需要非常高的通量。但是實(shí)驗通量再高，也許也永遠沒(méi)辦法窮盡生物系統的復雜性。例如一個(gè)100個(gè)氨基酸的蛋白，它就有20的100次方種可能，而實(shí)驗通量即使從10的4次方提到10的10次方或12次方，復雜性仍然沒(méi)法比，所以一定要借助模型和算法的力量，這單純靠人腦和人手是不行的，必須開(kāi)發(fā)“設計-構建-測試-學(xué)習”閉環(huán)的自動(dòng)化平臺。這種自動(dòng)化平臺能夠全方位提高研究效率。
搭建這個(gè)合成生物自動(dòng)化平臺，是合成生物學(xué)界的一次“登月行動(dòng)”，我們想探索人類(lèi)構建生命的上限，這雖然極具挑戰，但是我覺(jué)得沒(méi)有關(guān)系，我們要做的就是10年后、20年后的事情。確定了這個(gè)方向，我們就要一往無(wú)前地堅定走下去。
合成生物大設施自動(dòng)化功能島
未來(lái)百科：建設這樣一個(gè)自動(dòng)化的基礎設施，需要哪些產(chǎn)業(yè)的配套呢？
司同：單純就硬件技術(shù)而言，工業(yè)自動(dòng)化相對成熟了；合成生物學(xué)自動(dòng)化裝備較為落后的原因，可能是目前還沒(méi)有足夠的市場(chǎng)需求。另一方面，生物研究目前是非常依賴(lài)人為操作的，每個(gè)實(shí)驗室都有自己的秘籍，把這些個(gè)性化的秘籍變成機器上的工藝參數，需要大量、瑣碎的試錯和優(yōu)化。再往后，拿到的實(shí)驗數據還要依靠模型和算法分析，這些都需要大量的定制化開(kāi)發(fā)和改造，可能需要有幾百個(gè)供應商來(lái)同我們一起做這些事情，光靠先進(jìn)院自己是搞不定的。
未來(lái)百科：你們在建行業(yè)基礎設施的過(guò)程中，遇到過(guò)哪些大的困難？
司同：困難分為技術(shù)上的困難和實(shí)際上的困難。其實(shí)主要是實(shí)際上的困難，因為我們還沒(méi)有攻堅到技術(shù)困難那一步。實(shí)際上的困難主要還是人的問(wèn)題，現在自動(dòng)化合成生物學(xué)研究平臺都還處于原型機階段，解決了一些高通量的問(wèn)題，但還沒(méi)有往全自動(dòng)和智能的方向去走，這個(gè)時(shí)候就需要匯聚多方面的頂尖人才一起來(lái)做架構，找到這么多優(yōu)秀的人來(lái)做這些事情是現在面臨的最大困難。當然，雖然面臨困難，但我們一直在向前推進(jìn)。
未來(lái)百科：在全球范圍內，有哪些具有代表性的像這類(lèi)自動(dòng)化合成生物學(xué)研發(fā)平臺？
司同：學(xué)術(shù)界可以參考先進(jìn)院參與發(fā)起成立的 Global Biofoundry Alliance，目前已有三四十個(gè)成員；產(chǎn)業(yè)界有Gingko Bioworks、Amyris、Zymergen、Transcriptics 等等。
未來(lái)百科：你們做的合成生物學(xué)研發(fā)平臺和自動(dòng)化平臺，主要將在哪些方面來(lái)幫助整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？
司同：現在合成生物學(xué)很熱，涌現了很多合成生物學(xué)公司，但是這些公司可能不太傾向于在公共平臺上做他們的核心工作，擔心材料和數據外泄。此外，資本市場(chǎng)目前比較喜歡平臺型公司，因此一些合成生物學(xué)公司既自己做產(chǎn)品，又去做平臺。而作為公立研究機構，我們在做的平臺一是能夠集中力量辦大事，二是有更多自由度關(guān)注基礎原理和關(guān)鍵技術(shù)，首先解決通量限制，然后解決數字化問(wèn)題，希望成為合成生物學(xué)領(lǐng)域提高效率，降低成本的范例。
未來(lái)百科：你覺(jué)得從上游到中游，再到下游，哪些環(huán)節是最先容易標準化、自動(dòng)化呢？
司同：最先容易標準化的就肯定就是DNA，因為整個(gè)過(guò)程是從上到下越來(lái)越復雜多變的，而DNA都是一樣的。
未來(lái)百科：中國有哪些獨特的優(yōu)勢，能夠在合成生物學(xué)這樣一個(gè)價(jià)值鏈上是獨樹(shù)一幟的？
司同：我覺(jué)得中國的工程能力是很好的，在國內，我們給一些廠(chǎng)商提我們的需求，需要定制合成生物學(xué)研發(fā)設備，他們也很感興趣，愿意做這件事，而且效率很高，這周提要求，可能下周原型機都做好了，這在美國是難以想象的。而且國內的用人成本要低一些，這也是一個(gè)優(yōu)勢。此外，中國有著(zhù)集中力量辦大事或者匯聚資源的能力，在一定周期內，政府持續投入和引導，能夠讓我們把這個(gè)事情搞出來(lái)。
未來(lái)百科：對于合成生物學(xué)自動(dòng)化平臺，國內的合成生物學(xué)有什么獨特的需求嗎？
司同：我們也還在調研，合成生物大設施成立了科學(xué)用戶(hù)和產(chǎn)業(yè)用戶(hù)委員會(huì )。我們院正在和深圳市政府共建深圳市工程生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新中心，坐落于合成生物大設施所在的深圳市光明區。對初創(chuàng )公司或其他領(lǐng)域公司而言，合成生物大設施的作用是從設備投入、研發(fā)模式等方面降低合成生物的進(jìn)入門(mén)檻。
未來(lái)百科：微流控、AI這些對于深圳先進(jìn)院的合成生物學(xué)自動(dòng)化平臺建設會(huì )起到哪些作用？
司同：我認為這些會(huì )起到很大作用。對于一些大公司，可以用很低的價(jià)格拿到槍頭、耗材板等等，但這個(gè)價(jià)格還是很貴，如果能升級到微流控，就還能進(jìn)一步降低成本。對于A(yíng)I，我們也非常關(guān)注且正在將其用在自動(dòng)化平臺中，它一定會(huì )比隨機篩選節省成本，通過(guò)算法和實(shí)驗的迭代，可以更快地捕捉到一些人腦難以捕捉到的規律，然后去做實(shí)驗推薦。以我們的經(jīng)驗來(lái)講，確實(shí)可以大幅減少篩選的負擔。
未來(lái)百科：你覺(jué)得哪些交叉學(xué)科和技術(shù)還可以用在合成生物學(xué)的發(fā)展中？
司同：我們現在在關(guān)注一些新技術(shù)，比如我們一直對區塊鏈挺感興趣的，這是一種數據產(chǎn)生記錄的方式，以及可信度評價(jià)，這比自我報告的數據要更可信。還有5G通信，AI人工智能等等，在合成生物學(xué)領(lǐng)域都會(huì )大有作為。
未來(lái)百科：你覺(jué)得平臺類(lèi)公司和自動(dòng)化底層工具公司，哪一個(gè)方向更適合現階段的中國？
司同：我對產(chǎn)業(yè)不是很熟悉；個(gè)人覺(jué)得，如果難以預測什么產(chǎn)品或模式可以落地，從積累人才、匯集要素的角度來(lái)說(shuō)，平臺類(lèi)公司具有自身價(jià)值。
未來(lái)百科：你覺(jué)得合成生物學(xué)在哪個(gè)方面價(jià)值更大呢？是生產(chǎn)出來(lái)以前沒(méi)有的東西，還是更便宜的規?；慨a(chǎn)？
司同：我認為對已有產(chǎn)品的規?；慨a(chǎn)，需要和現有成熟方法拼成本，除技術(shù)外還有市場(chǎng)等問(wèn)題，對初創(chuàng )公司而言閉環(huán)難度大；生產(chǎn)新的東西，市場(chǎng)小但定價(jià)高，競爭相對較小，對初創(chuàng )公司而言也許機會(huì )更大。
未來(lái)百科：在未來(lái)3~5年，你看好哪些技術(shù)會(huì )在合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化上取得進(jìn)展？
司同：國外公司值得研究，尤其是發(fā)展模式方面，比如巴斯夫、杜邦這些公司，他們其實(shí)已經(jīng)在內部孵化了一些合成生物學(xué)的能力和案例，他們是怎么做的？我覺(jué)得還是挺有價(jià)值去研究的。
技術(shù)方面，現在大家比較關(guān)注的是機器學(xué)習，機器學(xué)習提供了一個(gè)可能性，例如產(chǎn)生一些自然界中從來(lái)沒(méi)有存在過(guò)的生物元件，再一個(gè)，在發(fā)酵、分離純化等下游過(guò)程里，幫助新型放大模型、實(shí)時(shí)傳感和控制等等，也是未來(lái)重要的發(fā)展方向。
司同團隊
PI與課題組簡(jiǎn)介：
司同博士，中科院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導師。清華大學(xué)本科，美國UIUC博士。課題組方向為自動(dòng)化合成生物技術(shù)，包括機器學(xué)習輔助蛋白質(zhì)工程、全自動(dòng)基因組定向進(jìn)化、高通量質(zhì)譜篩選等，用于開(kāi)發(fā)微生物細胞工廠(chǎng)研究和生產(chǎn)燃料、化工品、藥物等重要分子，前期成果在Nature Communications, JACS, Metabolic Engineering等發(fā)表論文和著(zhù)作40篇，“谷歌學(xué)術(shù)”引用超過(guò)2000次，H-index為21。獲國家高層次人才（青年）、廣東省青拔等榮譽(yù)。主持國自然面上項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重點(diǎn)專(zhuān)項首席科學(xué)家等。
實(shí)驗室主頁(yè):
http://isynbio.siat.ac.cn/sitonglab/