相信很多有過(guò)實(shí)驗室經(jīng)歷的小伙伴一定遇到過(guò)這樣的情況，耗時(shí)幾天的實(shí)驗結果不理想，不得不重頭來(lái)過(guò)，此時(shí)此刻，多么希望由機器人幫助做一些重復性的實(shí)驗工作。
這樣的夢(mèng)想可能會(huì )成真，因為實(shí)驗室研究自動(dòng)化正在成為一種趨勢，就像工廠(chǎng)的自動(dòng)流水線(xiàn)一樣，機器會(huì )按照標準化的工作流程完成實(shí)驗操作。
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”）的司同研究員便是早期參與自動(dòng)化合成生物技術(shù)構建的人員之一，現在他還是深圳合成生物研究重大科技基礎設施（在建，以下簡(jiǎn)稱(chēng)”合成生物大設施"）的總工藝師。
圖丨司同（來(lái)源：受訪(fǎng)者）
2009 年從清華大學(xué)畢業(yè)后，司同赴美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，縮寫(xiě) UIUC）趙惠民教授課題組攻讀博士學(xué)位，專(zhuān)業(yè)是合成生物學(xué)，2014 年博士畢業(yè)后繼續在該校開(kāi)展博士后研究。
“博士畢業(yè)之后，我決定留在 UIUC，原因有兩個(gè)，一是自動(dòng)化系統剛剛搭建好，二是博士期間已經(jīng)完成了大規模構建合成生命，但是通用性的測試方法還是很欠缺，所以希望將研究繼續推進(jìn)下去?！?司同告訴生輝 SynBio。
2019 年 4 月，司同正式加入合成所，課題組方向為自動(dòng)化合成生物技術(shù)，包括機器學(xué)習指導蛋白工程、基因組定向進(jìn)化等，用于開(kāi)發(fā)微生物細胞工廠(chǎng)研究和生產(chǎn)燃料、藥物、材料等。
讓機器做簡(jiǎn)單、重復、大規模的實(shí)驗
司同介紹，目前認為生命在演化過(guò)程中，突變是沒(méi)有方向性的，之所以在不同的環(huán)境中呈現出不同的表型，是因為一個(gè)群體中更為適應環(huán)境的基因突變會(huì )在長(cháng)期演化中富集，這就是自然界的演化方式。
在實(shí)驗室中也可以模擬這一過(guò)程，即定向進(jìn)化，該方法發(fā)明人 Frances Arnold 教授獲得 2018 年諾貝爾化學(xué)獎。具體而言，首先需要設定一個(gè)目標，例如生物合成某一化合物、靶向殺傷癌細胞等，之后再建立大規模的突變體，針對基因組中的不同基因，或蛋白質(zhì)中的不同氨基酸進(jìn)行突變，接著(zhù)，利用高通量篩選方法識別更為接近目標的突變體，作為新一輪定向進(jìn)化的起點(diǎn)。
“通過(guò)這一過(guò)程的反復迭代，可以快速獲得與目標要求相符合的突變體，進(jìn)一步，也可以通過(guò)逆向工程解析其形成原理，來(lái)指導理性設計，其實(shí)更多采取的是一種‘暴力’破解的方法，” 司同表示，“但從蛋白到通路再到基因組水平，突變體庫的規模會(huì )變得十分巨大，大大超出了人工操作的范圍?！┝Α平獾纳舷抻卸喔?？比較不同突變體的通量和準確性又如何？這些都是人工操作時(shí)不可控制的因素?！?/p>
圖丨自動(dòng)化儀器（來(lái)源：synbiobeta）
“為了滿(mǎn)足這些需求，機器人可能更適合做這些簡(jiǎn)單、重復、需要大規模操作的工作。合成生物學(xué)一個(gè)重要的部分是標準化，但在當時(shí)學(xué)術(shù)界更多的關(guān)注點(diǎn)還是在功能層面的‘對象’標準化，對于物理層面的‘過(guò)程’標準化研究并不多?！?趙惠民教授課題組在 UIUC 化學(xué)工程系，從化工的角度看，合成生物研究的過(guò)程標準化勢在必行。
于是從需求出發(fā)，團隊決定建立一個(gè)全新的系統，解決規?；僮鲉?wèn)題?！白詣?dòng)化合成生物技術(shù)的設計思路與汽車(chē)和手機的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)類(lèi)似，但不同的是后兩者是肉眼可見(jiàn)的組裝過(guò)程，對于一個(gè)生物來(lái)說(shuō)，很多生命過(guò)程例如 DNA 的組裝都是不可見(jiàn)的，所以需要開(kāi)發(fā)新的、更適合自動(dòng)化過(guò)程的合成生物技術(shù)?！?這是司同的主要關(guān)注點(diǎn)。課題組另一位研究生晁然（現為衍進(jìn)科技創(chuàng )始人），他更關(guān)注系統集成，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化軟件和硬件，使其適用于合成生物實(shí)驗。
2014年，合成生物自動(dòng)化設施的第一臺概念機在 UIUC 誕生，這臺概念機的模式目前已經(jīng)成功復制到了全球多個(gè)實(shí)驗室。
而深圳的合成生物大設施規模將是概念機的 30 倍以上，旨在打造用戶(hù)的 “云端實(shí)驗室” 和運營(yíng)者的 “智能實(shí)驗室” 二位一體的工業(yè)化合成生物研究平臺，將自動(dòng)化、信息化與生物技術(shù)相融合，實(shí)現高通量、標準化合成生物研發(fā)能力，服務(wù)學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應用。
自動(dòng)化技術(shù) + AI 技術(shù)讓 “遙遙無(wú)期” 變成 “有生之年”
細胞中各類(lèi)生命大分子的復雜程度并不亞于廣袤的宇宙，傳統的生物技術(shù)過(guò)程像是一場(chǎng)漫長(cháng)的無(wú)止境的核動(dòng)力太空探索，旅行者 1 號已經(jīng)在太空中飛行了 40 多年，而自動(dòng)化技術(shù)與 AI 技術(shù)的加成，則像是開(kāi)發(fā)了曲率引擎，須臾之間便可完成星際旅行。
司同告訴生輝 SynBio，“對于單點(diǎn)突變而言，如果一個(gè)蛋白質(zhì)含有 300 個(gè)位點(diǎn)，每個(gè)位點(diǎn)有 19 種突變可能，那么一共需要構建約 6000 個(gè)突變體，如果測試一個(gè)突變體的時(shí)間是半個(gè)小時(shí)，那么就需要小半年的時(shí)間完成。而自動(dòng)化的設施可以提高‘暴力’破解的效率，如果將構建和測試時(shí)間縮短到 5 秒，那么兩三天就可以完成測試。然而，如果涉及到蛋白質(zhì)的多點(diǎn)組合突變，就會(huì )造成‘維數災難’”。
生命體的復雜性程度遠遠高于一個(gè)蛋白質(zhì)，生命大分子不同排列組合之后的突變體數量是以指數型增長(cháng)的，就算有自動(dòng)化技術(shù)的加成，機器 24 小時(shí)不眠不休，完成時(shí)間也是以年為單位，“所以當數量達到一個(gè)程度之后，就無(wú)法通過(guò)‘暴力’破解窮盡所有可能了，于是我們引入了 AI 技術(shù)，通過(guò)深度學(xué)習的方法尋找規律，可以預測實(shí)驗結果，優(yōu)化實(shí)驗設計，無(wú)需檢測每一個(gè)突變體?！?/p>
（來(lái)源：Wageningen University & Research ）
與近期熱門(mén)的 AlphaFold2 類(lèi)似，人們無(wú)需在現實(shí)世界中合成蛋白質(zhì)，人工智能便可預測出十分接近真實(shí)蛋白質(zhì)的結構，當然前提是需要學(xué)習大量的數據。
“以前需要 10 年或 20 年完成的事情，可能一個(gè)月就可以完成。而且研究范式是固定的，可以應用到個(gè)性化的需求當中，從而降低了合成生物學(xué)進(jìn)入的門(mén)檻?！?下游領(lǐng)域或者行業(yè)的人無(wú)需完全掌握合成生物學(xué)的知識，只要按照標準流程進(jìn)行操作，即可獲得符合需求的菌株。
為基礎理論的突破積累數據
司同表示，深圳的大設施無(wú)論從資金投入和規模上都是獨一檔，一般來(lái)說(shuō)，并不是所有的設施都需要集成，也不是所有的設施都要自動(dòng)化，而公司的設施設計也都會(huì )從具體的需求入手，配備不同的功能。
“深圳大設施要滿(mǎn)足的是合成生物學(xué)不同方向和層面的需求，而不是只關(guān)注在細胞工廠(chǎng)層面，而設施本身也會(huì )隨著(zhù)學(xué)科發(fā)展而不斷升級，將來(lái)的目標是任何的生物體系的合成生物學(xué)設計和改造，無(wú)論是動(dòng)物或者植物，都可以在大設施里完成?！?司同告訴生輝 SynBio。
圖丨深圳大設施（來(lái)源：受訪(fǎng)者）
以化工行業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗來(lái)看，無(wú)論是研究或產(chǎn)業(yè)化，從過(guò)程上進(jìn)行分析，所有的過(guò)程都可以拆分成有限個(gè)單元操作，生物系統也是如此，理論上也可以做到標準化和模塊化，這也正是司同團隊在做的事情。
“當然，以上只是實(shí)踐層次上的目標，更深層次上的需求是解決合成生物學(xué)如何從‘黑箱’走向‘白箱’的問(wèn)題，也就是定量合成生物學(xué)?！?司同表示。
中國科學(xué)院院士趙國屏和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副院長(cháng)、深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院院長(cháng)劉陳立在近日發(fā)文（點(diǎn)擊直達：我國迎來(lái)定量合成生物學(xué)發(fā)展重要契機）總結，提出要建設理論 (理性設計)、技術(shù) (合成能力)、工程 (自動(dòng)化平臺) 三者相輔相成的合成生物學(xué)體系，進(jìn)而以此推動(dòng)合成生物學(xué)研究由定性、描述性、局部性的研究，向定量、理論化和整體化的變革。
司同解釋道，“‘暴力’破解加 AI 技術(shù)也有解決不了的情況，這時(shí)候就需要生物學(xué)的理論化和數學(xué)化的基礎理論突破，需要建立在大數據的基礎上，更好地處理數據、總結規律。大設施提供的是統計學(xué)的數據，而設施整體框架的建立以及靠直覺(jué)或者頓悟的思想提出則需要科學(xué)家的努力?！?br/>據悉，深圳大設施建成之后，會(huì )對全球的科研人員開(kāi)放，司同表示，大設施的建立能夠降低合成生物學(xué)研究的門(mén)檻，就可以讓更多的人以及技術(shù)參與到其中，共同推進(jìn)合成生物學(xué)的發(fā)展。
寫(xiě)在最后
司同被邀請為合成生物學(xué)競賽（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “競賽”）的評委，競賽匯聚頂級聯(lián)合發(fā)起方，旨在推倒產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)之間的 “高墻”，集結代表現在和未來(lái)的才智，打造中國合成生物頂級競賽和創(chuàng )新孵化平臺。
司同認為，與不同學(xué)科、行業(yè)的人交流，有助于解決合成生物學(xué)的一些問(wèn)題，“問(wèn)題是釘子，而每個(gè)人手上都有不同的錘子，就會(huì )出現很多解決問(wèn)題的辦法。此外競賽的平臺匯聚了產(chǎn)學(xué)研資政的多方資源，也是一個(gè)非常好的契機，把不同的要素集聚在一起，產(chǎn)生更多的碰撞?！?/p>