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合成生物学“插上”自动化的翅膀，会为生物制造带来哪些变化？

2023-10-19

合成生物学是近年来生物技术赛道最闪亮的存在。作为继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术革命，被誉为是“认识生命的钥匙”。在这条赛道上，二级市场不断有合成生物学公司上市，比如凯赛生物，在一级市场更是出现A轮融资达2.5亿元的微构工厂和B系列轮融资共达15亿元的蓝晶生物。麦肯锡更是预测2030-2040年期间，合成生物学每年在医疗健康方面潜在影响将达到0.5至1.2万亿美元，最终有望解决全球疾病总负担的45%。合成生物学会给医药产业带来什么？长远来看是为未被满足的临床需求找到更多的解决方案，而立足于当下则体现在通过技术手段的改变，以绿色环保的方式，为药物的研发、生产等环节降本增效上。此外，伴随着大数据、人工智能技术在近年来的爆发式应用演进，生命科学研发自动化技术的应用已经从理念进入到实践阶段。正如镁伽科技高级副总裁兼生命健康总经理顾宪进所看到的那样，“通过人工智能技术不断的迭代和创新，实验室自动化工具不断优化，可使得研发成本降低，研发时间缩短，产品更快进入市场。”那么当为合成生物学的研究，匹配到适宜的自动化人工智能研发平台后，会为产业带来哪些助益？这其中最被寄予厚望的领域有哪些？中医药如何借助自动化实验工具实现创新？10月17日，由镁伽科技、E药经理人联合举办的【创新“伽”速，智见未来】生命科学智能自动化变革论坛在苏州召开。会议主要围绕以上行业关注的话题进行讨论与分享。镁伽科技高级副总裁兼生命健康总经理顾宪进镁伽科技高级副总裁兼生命健康总经理顾宪进在发言中表示，虽然在外界宏观经济环境的影响下，医药健康行业发展遇到了增速上的挑战，但在技术创新上仍然有很多亮点，其中由人工智能技术在药物研发中的实践就是其中之一。此外，由人工智能技术作为底层逻辑所推动的实验室自动化平台的应用，也受到制药工业界及CRO领域的认可。他表示，镁伽科技作为一家专注于提供先进生产力工具的科技公司，致力于通过机器人自动化、人工智能技术与行业应用的深度融合，赋能生命科学、临床诊断、应用化学及先进制造等领域的创新突破和生产力革新。中国中医科学院副院长杨洪军在此次论坛上，中国中医科学院副院长杨洪军从科研实践层面出发，介绍了其将人工智能、机器智能工具应用到中医药研发创新中所观察到的问题及取得的成绩。他认为中医药创新发展路径可以分为两条，分别是内生式和开放式，前者以守正创新为理念，遵循中医药自身发展规律与诊疗模式，寻求疾病治疗与健康维护的办法与路径，而后者则是与现代医学整合发展，多学科交叉，跨界融合催生创新。沿着中医药创新开放式发展路径，借助与镁伽科技合作建设的中医药机器人智能实验室，杨洪军及其团队打造了中药药靶互作智能研究平台，基于交叉科学手段挖掘中药创新药物。据杨洪军介绍，目前基于以上理念与平台，最新发现了一种来源于中药的IDH1激动剂，目前已经申请发明专利。和晨生物总经理於洪建和晨生物总经理於洪建从实践经验与产业需求角度出发，介绍了生物合成及植物萃取技术在天然产物生产中的应用。合成生物学应用于实践后，目前天然产物的生产途径主要有5类，分别是植物提取，比如石杉碱甲；化学合成，比如茶氨酸；半合成，比如紫杉醇；生物合成，比如青蒿素；酶转化，比如甜菊糖。於洪建认为天然药物生产途径的选择主要考虑的指标是成本和技术的成熟度。以茶氨酸为例，其生产途径从植物提取到生物合成后，能够达到100多元每公斤，具有显著的价格优势。当然，使用不同路径生产的天然药物，在使用中可能有所限制，比如中国监管部门规定，只有从茶叶中提取的茶氨酸才能用于食品生产中。不过，於洪建对生物合成技术应用于天然药物生产中，用以降低成本寄予很大期望。比如麦角硫因，因合成生物学技术的使用，其成本从15万元降到3万～4万元，依克多因，从8000-9000降到1000左右。这些成功的案例使其认为，石杉碱甲这一目前单位成本几十万元的天然药物，有望降低90%左右。中国科学院天津工业生物技术研究所研究员江会锋中国科学院天津工业生物技术研究所研究员江会锋从合成生物学的缘起及发展方向角度，介绍了DNA生物合成技术与自动化装备目前的研发与使用情况。江会锋表示，生命科学正在经历从认知生命、改造生命到合成生命、设计生命的跨越式发展，在这一阶段，谁掌握了DNA操作核心技术，谁就能掌握生命科学的脉门，而DNA设计合成是合成生物产业未来发展的核心推动力。基于以上理念，他认为要解决目前长片段DNA需求强但获取困难的问题，需要更先进的仪器装备加以辅助。目前国内外在此领域皆有布局，而其所在的中合基因已经成功研制新一代芯片DNA生物合成仪原型机。据江会锋介绍，中合基因的DNA合成仪采用工程化的高效TdT介导，独特的修饰核苷酸循环合成策略，合成长度超过200bp，单步准确率达到99.5%，各项技术参数已经超越DNA化学合成仪，有望近期内为合成生物学领域提供全新的装备支撑。上海微理智成生物技术有限公司创始人倪国伟上海微理智成生物技术有限公司创始人倪国伟聚焦于酶工艺的演进角度分析了生物合成技术推动功能性化学品生产工艺革新的实践。在外界政治经济环境和产业政策双重压力下，追求高质量绿色发展成为化学工业产业长期核心命题。2020年1月工业和信息化部、生态环境部、国家卫生健康委员会和国家药品监督管理局四部门联合印发的《关于推动原料药产业绿色发展的指导意见》中明确将“绿色酶法合成”作为重点推广的绿色创新技术从技术角度看，工业酶与工业微生物技术与传统化学技术相比，呈现出成本优、安全性好、低能耗、可持续发展四大优势。基于此，倪国伟判断创新生物技术对工业化学品现有生产方式进行革新的大幕正徐徐升起。目前，微理智成已经构建起化学-酶（CE）技术集成化开发系统和工业微生物技术集成化开发系统。据倪国伟介绍，以上两个系统，借助合成生物学技术理念，借助自动化仪器设备，最终能够实现与传统化学技术相比大幅度地成本降低。以高值医美活性分子麦角硫因为例，该产品目前全球市场主要被国外公司垄断，中国迫切需要更具成本优势的生物制备工艺，以满足市场对于高品质抗氧化剂的需求。据倪国伟介绍，经过公司技术平台的工艺开发后，麦角硫因发酵单位较改造前提高11倍，生产成本较化学法降低70%。美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校教授赵惠民美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校教授赵惠民作为国内外知名学者，分享了其在合成生物学上的前沿科技成果。一直以来，蛋白质功能注释高度依赖于计算注释方法。然而，使用现有计算工具自动注释的酶被错误注释的情况时有发生。因此，蛋白质的功能注释仍然是蛋白质科学中的一个巨大挑战。赵惠民团队一直以来希望通过新的AI工具根据酶的氨基酸序列预测酶的功能，就像ChatGPT使用文字数据来创建预测文本一样。基于此，赵惠民团队开发了一个名为CLEAN的ML模型，用于酶功能预测。CLEAN 基于 UniProt 的高质量数据进行训练，将氨基酸序列作为输入，并输出按可能性排序的酶功能列表。赵惠民教授表示，CLEAN 将成为预测查询酶催化功能的强大工具，可以极大地促进功能基因组学、酶学、酶工程、合成生物学、代谢工程和逆转录生物合成的研究。镁伽科技解决方案经理段岑岑镁伽科技解决方案经理段岑岑以镁伽科技的应用实践和产业观察出发，分享了生命科学实验室自动发展趋势。段岑岑表示，随着人工智能技术的快速发展，人工智能技术也在不断地应用于实验室自动化系统，让实验室自动化系统数据处理变得更加快捷以及高效。且在实验室自动化技术的不断发展中，自动化仪器设备也成为了实验室高效、精准、可靠的基础设施。目前，镁伽科技拥有多层级实验室自动化解决方案，包括全自动质粒构建平台、合成生物学定性进化自动化平台、高通量菌种筛选平台等多种全流程自动化解决方案。会议结束后，与会嘉宾参观了镁伽鲲鹏实验室，就各自所关注的问题进行了讨论与咨询。据悉，镁伽鲲鹏实验室是镁伽自研能力的重要布局和实践，是国内自主研发的智能自动化生物实验室。镁伽鲲鹏实验室设计并研发了若干生物学场景下的智能自动化平台，包括基因编辑平台、高通量筛选平台、类器官平台、免疫学平台、生物计算平台等。这些平台将有机组成一个全新的生命科学“操作系统”，带来生物医药行业生产力的革新。注：文中图片由会议主办方提供