司同，邢新會

（1 中國科學院深圳先進技術研究院，深圳合成生物學創(chuàng)新研究院，中國科學院定量工程生物學重點實驗室，廣東 深圳 518055； 2 清華大學化學工程系，北京 100084； 3 清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心，北京 100084； 4 清華大學深圳國際研究生院生物醫(yī)藥與健康工程研究院，深圳 518055）

工欲善其事，必先利其器。人類探索生命奧秘和應用生物技術的實踐表明，生物學發(fā)展史上的顛覆性技術往往是由新的科研裝備創(chuàng)新驅(qū)動的，同時前沿儀器裝備引領生物產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。例如，顯微鏡的發(fā)明為細胞學說奠定基礎，X射線衍射儀的應用對于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解析至關重要。據(jù)不完全統(tǒng)計，74.6%的諾貝爾化學獎和90%的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎成果，是借助各種先進的科學裝備完成，或直接與新裝備方法或功能的發(fā)展相關。與此同時，新科研裝備的研發(fā)可以大幅提升生命科學領域的科研效率，為重復獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)提供標準化操作。例如，毛細管電泳測序儀的發(fā)展使得人類基因組計劃提前2～3年完成［1］，聚合酶鏈反應核酸擴增儀的出現(xiàn)推動了PCR這一革命性技術在基因克隆、分子診斷等領域的廣泛應用［2］。

合成生物學裝備是指合成生物領域基礎研究和應用開發(fā)過程中需要使用的儀器和設備的總稱。合成生物學以工程化設計理念，對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成。根據(jù)生物分子、細胞、組織到個體的生物學研究需求，合成生物學與生物技術在科研裝備的范圍上有較高重疊度。依據(jù)國家標準《實驗室儀器及設備分類方法》，生物技術儀器與設備是預期應用為分子生物學、細胞生物學、微生物、植物生理和生態(tài)、動物學、醫(yī)學等生物技術領域的一類實驗儀器及設備，如基因合成儀、基因測序儀、蛋白合成儀，蛋白降解儀、核酸提取和純化系統(tǒng)、免疫印跡系統(tǒng)、分子定量檢測系統(tǒng)、分子相互作用與分析設備、細胞工程設備、微生物鑒定系統(tǒng)、微生物培養(yǎng)設備、植物生理儀器、植物生態(tài)儀、動物生理學儀器、動物行為檢測儀器、動物實驗裝置、診斷分析儀器及其專屬零部件等。

然而，長期以來，我國在生物儀器創(chuàng)新方面存在眾多短板，導致目前大部分生命科學儀器市場份額由進口產(chǎn)品占據(jù)，迫切需要推動儀器裝備的國產(chǎn)替代和原始創(chuàng)新。因此，近年來，我國對生命科學和生物技術領域科研裝備創(chuàng)新和研發(fā)高度重視。國家規(guī)劃層面，“十三五”生物技術創(chuàng)新對生命科學儀器、生物化工核心技術裝備的創(chuàng)新研究和制造進行了頂層設計；“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃指出，在高端科研儀器等前沿領域，支持有影響力的用戶單位牽頭建立產(chǎn)用聯(lián)合體，與生產(chǎn)企業(yè)合作開展生產(chǎn)產(chǎn)品技術創(chuàng)新和示范驗證，構(gòu)建“應用示范-反饋改進-水平提升-輻射推廣”的良性循環(huán)發(fā)展機制?？蒲杏媱澐矫?，國家自然科學基金委設立了“科學儀器基礎研究專項”和“國家重大科研儀器設備研制專項”，科技部管理實施“國家重大科學儀器設備開發(fā)專項”，都資助了多項生命科學儀器研制項目，提升了相關自主創(chuàng)新能力和裝備研發(fā)水平。

如上所述，作為生命科學研究和生物技術發(fā)展不可或缺的工具和手段，科研裝備一定程度上代表著科學前沿的方向，也是推動科技創(chuàng)新和生物經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐。為了集中介紹我國在合成生物領域科研裝備和應用的最新進展，特組織出版本期專輯，主要包括以下內(nèi)容：

（1）微量移液是合成生物實驗的基礎操作，相應裝備的性能指標、可靠度和穩(wěn)定度決定了科研發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的準確性和可重復性。中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮團隊［3］系統(tǒng)地總結(jié)了微量移液技術的發(fā)展及代表性應用，重點介紹了非接觸式超聲移液技術的發(fā)展及現(xiàn)狀，對微量移液技術未來發(fā)展及趨勢進行了展望。上海交通大學的楊廣宇團隊［4］對微液滴體系在合成生物的最新應用進展進行了全面綜述，重點關注了基于質(zhì)譜、拉曼光譜、核磁共振等各種檢測方法的液滴分選技術，并總結(jié)了這些技術在酶定向進化、微生物育種中的應用。

（2）合成生物研究“設計-構(gòu)建-測試-學習”閉環(huán)的高效運行需要開發(fā)高通量、標準化、可靠穩(wěn)定的實驗裝備。針對“構(gòu)建”過程，中國科學院深圳先進技術研究院司同團隊［5］系統(tǒng)總結(jié)和評述了DNA組裝和底盤細胞操作的高通量實驗工藝和自動化設施平臺，介紹了相應裝備在生物合成基因簇挖掘、代謝通路優(yōu)化和底盤細胞優(yōu)化的最新應用進展。針對“測試”過程，中國科學院青島生物能源與過程研究所的馬波團隊［6］圍繞單細胞拉曼光譜（SCRS）方法，概述其技術原理、裝備迭代及應用案例，實現(xiàn)了在活體單細胞水平、非標記狀態(tài)下實現(xiàn)復雜細胞表型的測試和分選。中國科學院大連化學物理研究所張玉奎團隊［7］回顧了近年來高通量液相色譜質(zhì)譜技術在微生物菌株篩選及關鍵分子定量分析方面的研究進展，從樣品制備、色譜分離、質(zhì)譜分析及數(shù)據(jù)處理等層面展開闡述，展望了與自動化平臺結(jié)合的前景和挑戰(zhàn)。中國科學院青島生物能源與過程研究所崔球團隊［8］重點介紹了原位電離質(zhì)譜技術的工作機制，綜述了這些質(zhì)譜技術可以在無需樣品預處理的情況下直接檢測完整的微生物細胞，以及在微生物突變文庫的高通量篩選和活微生物菌落的質(zhì)譜成像方面的研究進展。北京化工大學袁其朋團隊［9］重點介紹了近幾年熒光激活細胞分選技術（FACS）和FADS在微生物細胞工廠和酶定向進化方面的應用實例，綜述了目前國內(nèi)外基于液滴微流控技術高通量篩選裝備的研發(fā)情況。在規(guī)?；l(fā)酵方面，江南大學白仲虎團隊［10］針對微生物和哺乳動物細胞的生物過程工程實驗設計（DoE），評述了高通量平行發(fā)酵與細胞培養(yǎng)技術的發(fā)展近況及應用場景，同時討論了平行發(fā)酵如何支持菌種篩選工作相似性原則的實施、結(jié)合DoE實驗策略進行生物過程開發(fā)、模型建立及過程縮小等。

（3）由于缺乏理性設計能力，合成生物研究者在設計構(gòu)建具有特定功能生命系統(tǒng)的過程中，往往需要開展海量工程試錯。通過引入自動化、信息化、智能化技術，合成生物自動化研究設施平臺可以大幅提升研究的通量和效率，通過標準實驗和智能模型的高效迭代，快速實現(xiàn)特定功能，揭示理性設計原理。浙江大學黃磊團隊［11］介紹了基于合成生物學自動化裝置iBioFoundry的建設背景和設計理念，討論了大腸桿菌工程菌批量構(gòu)建和酶的定向進化及篩選的應用案例，分享了耗材存儲空間分配、多實驗任務并行和實驗流程標準化方面的經(jīng)驗。中糧營養(yǎng)健康研究院王小艷團隊［12］從產(chǎn)業(yè)界的視角介紹了自動化設施平臺在生物燃料菌株開發(fā)、傳統(tǒng)釀造菌株篩選、酶的定向進化和篩選等領域的應用。中國科學院深圳先進技術研究院卞光凱團隊［13］綜述了自動化高通量技術在天然產(chǎn)物生物合成領域的應用，闡述了其在天然產(chǎn)物挖掘、高效生物合成和快速檢測等方面的優(yōu)勢。

（4）科學儀器設備是科學研究和技術創(chuàng)新的基石，也是經(jīng)濟社會發(fā)展和國防安全的重要保障。面對日益復雜激烈的國際競爭環(huán)境，必須實現(xiàn)合成生物科研裝備的原始創(chuàng)新和自主可控。習近平總書記多次批示：“要打好科技儀器設備、操作系統(tǒng)和基礎軟件國產(chǎn)化攻堅戰(zhàn)，鼓勵科研機構(gòu)、高校同企業(yè)開展聯(lián)合攻關，提升國產(chǎn)化替代水平和應用規(guī)模，爭取早日實現(xiàn)用我國自主的研究平臺、儀器設備來解決重大基礎研究問題?！碧貏e值得指出的是，本專輯中的多篇文章介紹了合成生物裝備國產(chǎn)化的優(yōu)秀案例。馬波團隊［6］自主研發(fā)了單細胞拉曼光鑷分選儀（RACS-Seq）、單細胞液滴分選系統(tǒng)（EasySort）和高通量流式拉曼分選儀（FlowRACS）用于合成表型分選；鄭海榮團隊［3］自研了中心頻率40 MHz，帶寬70%的單陣元高頻弧面聚焦超聲換能器，集合激勵電壓幅度和脈沖長度實現(xiàn)了精度可控的皮升移液裝置；中國科學院深圳先進技術研究院何凱團隊［14］自主開發(fā)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、模塊獨立、波段可擴展，且具有吸光度和熒光檢測功能的微孔板檢測儀，結(jié)合自主開發(fā)的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析軟件可實現(xiàn)與自動化平臺的無縫對接；此外，清華大學邢新會和張翀團隊與天木生物公司合作開發(fā)了微升級單細胞液滴高通量篩選系統(tǒng)（DREM Cell，MISS Cell），可實施自動化、高通量的微生物單細胞培養(yǎng)和分選［15-16］。

合成生物學被譽為是繼“分子生物學”和“基因組學”之后的第三次生命科學革命，是實現(xiàn)生物經(jīng)濟發(fā)展的重要技術。X射線衍射儀、測序儀等科研裝備創(chuàng)新是前兩次科學革命的重要推動力，合成生物學潛力的充分釋放也必將啟發(fā)和受益于科研裝備的變革。合成生物學是交叉和匯聚學科，其科研裝備的研發(fā)既需要理論上的創(chuàng)新，也有賴于產(chǎn)學研的協(xié)同合作，還要有良好的體制和人才保障。從儀器裝備的原理驗證、關鍵部件開發(fā)、搭建樣機到最終批量生產(chǎn)，高端科研裝備研制周期長、學科交叉度高、難度大、投入人力物力多、投資風險高，研究者往往更愿意購買進口成熟儀器，自主研發(fā)積極性差。然而，科技發(fā)展實踐反復證明，重大科學研究的突破，往往是以科學裝備和技術手段上的突破為先導；原創(chuàng)性的科學裝備更有可能開辟新的學科領域，帶來嶄新的研究成果。期待在新的歷史時期，我國有更多的合成生物研究者積極投身于科研裝備的原始創(chuàng)新，全方位推動國產(chǎn)裝備的推廣應用和完善提升，引領下一代生命科學革命。