人才動態

灣區逐夢 | 司同:用合成生物學,不斷探索人類構建生命的上限

時間:2020-12-14  來源:文宣辦 文本大小:【 |  | 】  【打印

  【2020年,是深圳經濟特區建立40周年。從邊陲小漁村到“綜合性國家科學中心”,從“特區”到“先行示范區”,深圳始終肩負著中國改革開放和現代化建設先行探路的使命。在特區40年乘風破浪的路上,深圳先進院堅定選擇與深圳這座城市同呼吸、共發展、創未來。慶祝特區成立40周年,深圳先進院推出“我為綜合性國家科學中心做貢獻”系列人物報道,展現科研人員開拓、創新、團結、貢獻的特區精神。】  

    “這是合成生物學界的一次‘登月’行動,我們想探索人類構建生命的上限。”近日,中科院深圳先進院司同研究員接受記者采訪時表示。司同所說的“登月”,離不開位于深圳光明區的合成生物大設施。他在大設施建設中擔任總工藝師。 

  “如果說合成生物學是像搭積木一樣搭建生物,那合成生物設施就是將這一技術從傳統的‘手工作業’,轉變為大規模自動化的機器作業,”司同表示,“這將為我們面臨的資源、能源、健康、環境和安全等重大挑戰,提供全新的解決方案。” 

合成所研究員司同

  從概念機到全球首個大設施 

  司同表示,合成生物學,簡單來說就是像組裝機器一樣組配生物,像搭樂高積木一樣搭建擁有特定功能的人造生命。 

  而由于生命高度復雜性,目前還無法進行理性設計,意味著需要海量實驗和不斷“試錯”。傳統的“手工作坊”式研究難以滿足需求,人們需要一位效率更高且永不疲倦的自動化助手來協助研究,合成生物大設施應運而生。 

  據悉,深圳于2018年啟動籌建大設施,總投資近8億元(不含基建)。今年8月,由深圳先進院牽頭建設的腦解析與腦模擬、合成生物研究兩大市級重大科技基礎設施項目總概算獲批復。 

  “目前大設施已經進入開工建設階段,我前期主要工作是細化科學和應用目標,明確大設施要做些什么;設計并優化工藝路線(即怎么做),然后在預算內,最大化地去構建一個性能好的大設施。”司同表示。 

  合成生物設施的效率到底有多高?據悉,目前美國伊利諾伊大學香檳分校的合成生物設施,每天可建造多達1000個特定序列蛋白,每個造價不到3美元,成本僅為人工制造的千分之三。 

  值得一提的是,學術界首個全自動合成生物設施的概念機,正是司同在香檳分校開展博士和博士后研究期間參與研發。“我們的實驗需要經常構建突變體庫,大家每天都在篩選突變體,于是就想能不能設計一臺設備,來幫忙做這件機械化的事,”司同表示,“然后就有了合成生物大設施的第一臺概念機。” 

  此后,這臺概念機的模式復制到了全球多個實驗室。此次深圳的合成生物大設施,規模將是概念機的30倍以上。 

 合成生物大設施自動化功能島

  2000個“積木”到2000萬個 

  組裝一臺機器需要成千上萬個零件,而搭建生物則需要幾千萬甚至更多。就像給機器輸入指令一樣,生物體的搭建,同樣需要DNA堿基和序列這樣的“零件”,不斷地按照特定順序排列而成。 

  事實上,人們已將細胞自我復制的原理,用于醬油、醋、酸奶等制作,俗稱發酵。而合成生物學家們要做的,則是對自然界中已有的生物細胞,甚至對生命進行“理性設計”,為人們解決實際問題。 

  比如司同團隊與中糧集團合作,關注糧食安全問題。下雨天后作物很容易發霉,尤其在南方,而由此造成的真菌毒素污染,已成為我國食品安全和飼料安全的重要隱患。 

  “降解毒素的一個潛在方法是利用酶進行生物脫毒,但大部分天然酶降解效率低、穩定性差,難以大規模應用,”司同說,“此時就需要經工程改造的人工降解酶登場了。” 

  如何快速合成最有效的那個酶?依托合成生物大設施,可以大規模地構建并快速自動篩選。據悉,目前測試速度從30分鐘縮短至5秒左右,單個樣品的處理成本從200元降低到了0.1元以下。“酶的定向進化于2018年獲得了諾貝爾化學獎,這一技術本身已非常成熟,但檢測速度和成本是瓶頸。而我們是在原有基礎上進一步提高了開發的效率。”司同表示。 

  不斷開發新的儀器設備,同時用機器人將這些設備連接起來,實現自動化作業, “ 從化學合成的200個堿基‘零件’出發,根據堿基序列的可復制性,使細胞中的2000個堿基‘零件變成2000萬個堿基‘零件,就像堆積木一樣,最終搭建起生物系統。”司同表示,這一思路可用于藥物合成、DNA合成、生物發酵等。尤其在疫情期間,提高研發的自動化程度,同時也減少了人員接觸。 

  合成生物學除了創造全新的“已知”,還能探索過去的未知。 

  據司同介紹,其團隊目前在和南方科技大學海洋系合作,探尋地球生命起源問題。“認為生物由細菌、古菌和真核生物三大類組成,是目前的主流分類方法之一,但具體怎么起源的還不清楚。”據悉,通過分析現存物種和化石中的生物分子,團隊用合成生物學方法將古老已經滅絕的生命過程“復活”,為探索生命的起源提供實驗證據。 

  從香檳分校到深圳先進院 

  去年4月,在伊利諾伊大學香檳分校幫自己的博士導師,國際著名合成生物學專家趙惠民教授慶祝完50歲生日后,司同啟程來到深圳先進院。合成生物大設施的項目建設正等待他的加入。 

  “從2018年大設施啟動籌建,我就一直有關注,這是合成生物學界一件令人激動的事。”司同表示。 

  選擇來到深圳,也是對這里的信息產業和智能制造業有信心。“有一次實驗室的一臺進口設備‘罷工’了,跟國外廠家聯系后只能整機更換,費用很高,經排查發現其實只是里面的一個元器件出了問題,”司同告訴記者,“后來我們的工程師在深圳定制國產元器件進行更換和維修,解決了問題。”目前,國產高性能醫療設備正在打破國外壟斷的局面,部分已實現并跑甚至領跑。 

  此外,司同選擇來到深圳先進院,也是因為這里學科交叉的團隊和氛圍,不同專業領域合作非常活躍。“合成生物設施建設是復雜的系統工程,需要生物、信息、自動化等多學科的深度整合和協同攻關,深圳先進院具備這樣的能力和環境。”司同說。 

  從事合成生物學的人,最大的夢想就是,隨著技術的發展,將來有可能像編程一樣,在計算機上輸入一些指令,就能設計出一個全新的生物體,司同表示,“未來我們也會探索合成動物和植物。” 

司同團隊

彩88-安全购彩