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)新驅動的，同時前沿儀器裝備引領生物產業(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雙螺旋結構解析至關重要。據不完全統(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，為重復獲得高質量數據提供標準化操作。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品占據，迫切需要推動儀器裝備的國產替代和原始創(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用聯(lián)合體，與生產企業(yè)合作開展生產產品技術創(chuàng)新和示范驗證，構建“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。科研計劃方面，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)新和生物經濟高質量發(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)現和數據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，實現了在活體單細胞水平、非標記狀態(tài)下實現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、質譜分析及數據處理等層面展開闡述，展望了與自動化平臺結合的前景和挑戰(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譜技術的工作機制，綜述了這些質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)模化發(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驗。中糧營養(yǎng)健康研究院王小艷團隊［12］從產業(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物生物合成領域的應用，闡述了其在天然產物挖掘、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)和基礎軟件國產化攻堅戰(zhàn)，鼓勵科研機構、高校同企業(yè)開展聯(lián)合攻關，提升國產化替代水平和應用規(guī)模，爭取早日實現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)了一款結構緊湊、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，結合自主開發(fā)的控制系統(tǒng)和數據采集分析軟件可實現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，是實現生物經濟發(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，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，全方位推動國產裝備的推廣應用和完善提升，引領下一代生命科學革命。