“生物铸造厂”的概念和原理

合成生物学，也称为“工程生物学”，旨在利用生物过程作为跨广泛关键经济部门的平台技术。经合组织（OECD）《2021年科学、技术与创新展望》报告中指出，从“生物铸造厂”（Biofoundry）开始，工程生物学的实践方法有望为制造开辟新机遇，应用涵盖了广泛的行业和产品，包括新材料，更环保的化学品，以及当前最炙手可热的诊断试剂和疫苗。 

 一、概念

“生物铸造厂”（Biofoundry）,在中文里又被译为“生物代工厂”、“生物加工平台”或“合成生物设施”等，指的是利用合成生物学技术，以自然界已有的自然物质或合成物质为基础，构建基于生物体的新型制造平台，它将生物设计、研发、制造过程转变成工程设计问题，通过对自然生物的操纵来获取原创性新材料、新器件、新系统和新平台，实现高价值材料和设备的“按需设计与生产”。其最终目标是压缩生物设计、制造和测试的周期和成本，实现生物元器件和生物制造平台的模块化标准化设计。

“生物铸造厂”是一种配备完全自动化设备、相关软件、标准化工作流程和专门技术人员的核心设施，旨在通过专业的编程手段和标准化实验室操作生产基因重组生物。“生物铸造厂”拥有精确的基因设计软件、自动化液体处理和菌落（或菌斑）挑选机器人等尖端技术，可以提高合成生物技术的产出效率。此外，“生物铸造厂”实现了自动化的高通量实验室方法，提高了运行效率和可重复性，研究人员可以专注于实验设计和数据分析等任务。

二、工作原理核心：高度自动化的DBTL循环迭代

近年来，工程生物学领域发展迅速，已经出现了“设计-构建-测试-学习循环”。机器人技术和机器学习使这成为可能，它们可以整合和增强人类干预。这个循环被封装在“生物铸造厂”中，其中许多候选分子可以通过DBTL循环迭代运行，以快速获得优化的候选分子。 “生物铸造厂”工作原理核心是高度自动化的“设计（Design，D）-构建（Built，B）-测试（Test，T）-学习（Learn，L）”，即DBTL循环。DBTL循环的关键是其迭代过程，通过结合专业设备，可实现对每个循环过程进行全自动化改进。生物设计工具和“生物铸造厂”的结合正在形成数字生物学，它可以彻底改变许多理想的生物基产品的制造。“生物铸造厂”的一大特点是设计场所（生物铸造）可以与制造场所（通常是生物精炼厂）完全分开。

全球多家知名机构，例如麻省理工学院铸造厂、银杏生物工厂、Amyris和伦敦生物铸造厂等学术机构和工业生物铸造厂，通过高通量模块化的实验室设备，设计和构建用于研究和生物技术的基因重组生物体。这些“生物铸造厂”可以作为单站点或全球集成实验室提供解决方案，其中每个站点都在工业或研究流程中发挥作用。

 

图 生物铸造厂的DBTL循环示意

参考资料：

OECD Science Technology and Innovation Outlook 2021