近年來，人工智慧技術對蛋白質結構預測與功能設計領域產生了顛覆性的影響。合成生物學家開始突破天然氨基酸的限制，將高階的化學變化引入到蛋白質的設計空間中。
合成生命體往往具有高度複雜性，這決定了其需要海量的工程化試錯性實驗，即需要快速、低成本、多迴圈地完成“設計—構建—測試—學習”這一閉環。丹納赫生命科學擁有一系列的細胞培養和蛋白表達分析解決方案，為擴充套件人類設計、合成生物大分子元件的能力提供支撐。
圖1 自動化高通量合成生物學工作流程（細胞培養、蛋白表達）
細胞培養與蛋白表達
陽性克隆接種
Qpix微生物克隆篩選系統，根據熒光訊號對克隆進行有目的的、定量性的篩選，然後完成陽性克隆的複製及重排。
震盪培養
陽性單克隆菌落被轉移到裝有1.5-1.7ml LB+Carb100培養基的96孔深孔培養板中進行放大（37℃條件下震盪培養）。
QC-OD值檢測
轉移培養菌液至酶標板中讀數菌液濃度。
誘導表達
轉接菌液連續培養，加入誘導劑誘導表達，透過微流控高通量微型生物反應器，檢測蛋白表達量，獲取高表達菌種（菌種篩選），完成培養基最佳化。
離心富集
高速離心分離菌體和發酵上清。
裂解菌體
自動化工作站96通道加樣器，將重懸菌體中加入裂解液即可。
定量
自動化工作站Span8靈活8通道加樣器分裝檢測試劑，96通道加樣器加入菌液上清，振盪恆溫孵育反應，轉移至酶標板檢測菌液濃度OD600和GFP蛋白表達量。
ELISA/酶反應
自動化工作站整合酶標儀，檢測和定量抗體、蛋白質、激素或肽，以及表徵蛋白質-蛋白質和蛋白質-核酸相互作用。
質譜檢測
蛋白組靶向（定量）和非靶向（定性）檢測。
圖2 合成生物學測試工具-自動化整合系統
微流控高通量微型生物反應器
合成生物學整體解決方案中，微流控高通量微型生物反應器的功能包含：震盪培養、OD值檢測、誘導表達。同時，還可以完成微生物培養工藝最佳化。
BioLector Pro透過將已有的高通量微型反應控制技術與創新的微流控晶片技術相結合，從而可實現補料分批發酵功能。該功能採用32位可補料微孔板配合非侵入式光學感測器進行操作。BioLector Pro採用一次性48位微孔板和32位補料微孔板，具有平行培養實時動態監測生物量、熒光、酸鹼度 (pH) 和溶氧值(DO) 資料的功能，同時還能透過微閥和微流控通道控制 pH 和補料速率。這款微流控板非常獨特，能實現在32位補料微孔板上的持續補料和 pH控制, 無需安裝管道和液體處理裝置, 並已預先經過伽馬射線滅菌。
圖3 微生物生長所需的最佳濃度
自動化工作站
合成生物學具有實驗量大、通量高、週期長等特點，對實驗室的裝置、實驗人員及資料跟蹤系統，都提出了很高的要求。Biomek i7 自動化工作站旨在最佳化工作流程並增加中高通量實驗室的操作效率。可以將液體處理工作站轉變為工作流自動化解決方案，從單個酶標儀整合到一個完整的多裝置自動化系統。針對整合液體處理系統，我們提供質量控制的產品開發流程，包括深入的工作流程分析，最佳化工作流程，並滿足合成生物學整體解決方案的需求、挑戰和目標。目前已成功整合超 300 個第三方裝置，這些裝置來自 60 多家制造商的不同實驗室環境。
圖4 自動化工作站的應用場景
多功能檢測平臺
SpectraMax i3x多功能酶標儀是構建完整的合成生物學實驗室解決方案的基石。它內建高能LED和高能氙燈雙光路系統，大大擴充套件合成生物學的研究領域。標配有行業領先的資料採集和分析軟體SoftMaxPro 7，針對主流各種試劑檢測進行了相應的最佳化。除了具有全波長光吸收、全波長熒光、全波長化學發光檢測功能以外，還相容了模組化升級功能，使用者可以根據需要隨意升級至 Western Blot、細胞成像和帶有注射器模式下的快速動力學檢測等。
圖5 含有質粒 pMV 158 - GFP 的糞腸球菌菌株OG1RF，連續18個小時動力學監測細菌的生長情況及熒光蛋白表達情況
SCIEX Triple QuadTM& QTRAP系統
SCIEX 質譜產品包括三重四級杆質譜、離子阱質譜、高分辨質譜等，適用於合成生物學研究領域。使用已建立的方法來分析合成生物學不同階段產物的含量及變化趨勢，從而驗證研究人員前期的設計和構建結果（基因組裝和分子克隆）。
SCIEX LC-MS/MS 系統擁有多項專利技術，利用全新設計的高能檢測器，提升液質聯用定量分析的靈敏度、準確性。無論分析的化合物質量高低，極性正負，均能體驗到這些顯著優勢。只需一次進樣，就能得到可靠的分析資料。
SCIEX LC-MS\MS在合成代謝網路研究的應用
Step1：預測不同輔酶a的MRM list：
根據文獻的裂解規律和實際採集的標準品的MSMS，建立MRMlist，將輔酶a結構上的特徵轉化為質譜中的特定的質荷比離子訊號；基於已有的輔酶a的質譜檢測方法，預測一類的輔酶a的結構。
圖6 輔酶a分子結構特徵，斷裂位點，MRMlist
Step2：建立QTRAP 獨有的MRM-IDA-EPI方法，發現並鑑定輔酶a
已獲取的MRMlist和QTRAP獲得的EPI的資料，透過對比二級圖譜，完成化合物定性分析。
圖7 色譜&質譜條件
a
b
c
圖8 乙醯輔酶a MSMS
合成生物學領域的核心科學問題是設計與合成可預測的生命體。丹納赫生命科學合成生物學整體解決方案可以為海量的工程化試錯提供關鍵科學手段，推動我國生命科學技術能力實現從認識生命表象到掌握複雜生命本質、從定性描述向定量預測、從單一維度向多維度生物功能檢測、從單一層次向多層次生物儀器開發、從基礎研究向醫學轉化應用的戰略轉變。
至今為止，美國政府已支援設立 3 個大型合成生物學研究中心，英國政府已經資助 6 個大型合成生物學研究中心。德國、荷蘭、日本、新加坡、澳大利亞等國也在緊密跟進。在各大研究中心與學術機構中，一般都搭建有生物鑄造廠作為核心。這些合成生物學自動化設施平臺既用於加速學術研究，也用於推動產業發展（表1）①。
表1 全球學術機構的知名合成生物學自動化設施平臺
參考文獻：
1、Clarke L J, Kitney R I. Synthetic biology in the UK - An outline of plans and progress. Synthetic and Systems Biotechnology, 2016, 1(4): 243-257.
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