助力新工藝下的生產(chǎn)效率提高

在化妝品行業(yè)中，利用合成生物學(xué)進行研發(fā)和創(chuàng)新已經(jīng)成為了一種趨勢，將生物基原料和生物工藝引入到產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)中，這不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效果，還可以減少對傳統(tǒng)化學(xué)原料的依賴，連續(xù)性溫和生產(chǎn)模式降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力。當前，利用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)高品質(zhì)膠原蛋白和高效透明質(zhì)酸等生物活性物質(zhì)已成為行業(yè)熱點。國內(nèi)已有企業(yè)成功實現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，華熙生物的透明質(zhì)酸產(chǎn)量更是達到了世界領(lǐng)先水平。除此以外，高校、科研機構(gòu)已探索研究了眾多活性物質(zhì)在微生物、動植物的代謝合成通路，揭示了生命系統(tǒng)的運作機制，如角鯊?fù)椤⑽r青素、麥角硫因、人參皂苷、三七素等等。業(yè)內(nèi)還有課題組搭建了多菌種共培養(yǎng)體系，開發(fā)模塊化微生物生產(chǎn)技術(shù)，構(gòu)建了一系列可控的活性物質(zhì)高產(chǎn)生物合成系統(tǒng)，相比曾報道的最大產(chǎn)量，水飛薊賓提高了 1.6 萬倍、水楊酸提高了 60 倍、4- 羥基香豆素提高了 11 倍等等，將生物基原料生產(chǎn)技術(shù)提升至新的高度。

助力企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展

利用合成生物學(xué)領(lǐng)域的理論研究成果，在不破壞原有環(huán)境和瀕危特色動植物自然資源的前提下，利用底盤細胞進行活性物質(zhì)生產(chǎn)，可以更加高效地利用資源，溫和的反應(yīng)條件、低能耗生產(chǎn)線、可再生的生物基材料和生物活性物質(zhì)能夠減少對環(huán)境的污染，助力企業(yè)碳達峰、碳中和，并開發(fā)出更加安全、有效的產(chǎn)品，滿足消費者的需求。根據(jù) WHO 及中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所統(tǒng)計，目前生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排 30％ 至 50％，未來潛力將達到 50％ 至 70％。預(yù)計到2030 年，生物制造每年可減少二氧化碳排放 10 億至 25 億噸，這賦予了合成生物學(xué)更多的使命和開發(fā)意義。

助力化妝品新原料開發(fā)，減小國內(nèi)外產(chǎn)品品質(zhì)差距

國內(nèi)化妝品行業(yè)長期流傳著“ 國內(nèi)沒有好原料 ”的說法，我國傳統(tǒng)的化妝品原料生產(chǎn)技術(shù)起步較晚，傳統(tǒng)植物種植提取技術(shù)還會因氣候環(huán)境等不可控因素影響，無法保障原料品質(zhì)和產(chǎn)量。而如今，原料生產(chǎn)進入了第 5 代發(fā)酵技術(shù)時代，生物技術(shù)結(jié)合新型信息技術(shù)，能夠有效規(guī)避品質(zhì)不穩(wěn)定的風(fēng)險。在細胞工廠構(gòu)建時，研發(fā)人員對于目的物質(zhì)的基因及其代謝通路的研究是全面的，根據(jù)需求對關(guān)鍵代謝節(jié)點相關(guān)蛋白和酶進行改造修飾，最大化掃除合成路徑上的障礙，減小旁路抑制作用，從而影響目標產(chǎn)物合成效率、相關(guān)蛋白折疊效率，甚至是改造產(chǎn)物部分基團，通過高通量篩選具有極致功效性能的細胞以及更加安全、高效的原料。中國擁有豐富的動植物自然資源，合成生物學(xué)的發(fā)展有望彌補傳統(tǒng)提取技術(shù)在高效量產(chǎn)珍稀資源方面的不足，為開發(fā)珍稀資源新原料在化妝品中的應(yīng)用提供了可能性。

人員重復(fù)操作的不穩(wěn)定性對結(jié)果分析的挑戰(zhàn)

由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，因為微小的差異，如環(huán)境條件的變化、實驗材料等，即便過程中所有操作是規(guī)范的，在重復(fù)相同試驗時，也可能會得到不同的結(jié)果。其次，由于人員的操作習(xí)慣、技能水平，甚至心情等多變因素的影響，即使同樣的實驗步驟、同一人員操作也可能會有不同的結(jié)果。這種不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致實驗結(jié)果的差異，從而影響數(shù)據(jù)的可比性和可重復(fù)性。此外，在合成生物學(xué)中，常常需要進行復(fù)雜的操作，如基因克隆、細胞培養(yǎng)等，菌種的定向進化等試驗更是需要長時間、大批量的重復(fù)操作，試驗結(jié)果對工作人員的精準操作要求極高，持續(xù)操作中累積的疲憊感會大大增加操作員失誤的可能性，影響實驗的效率和結(jié)果的可重復(fù)性。

發(fā)酵優(yōu)化放大技術(shù)與裝備的挑戰(zhàn)

利用合成生物學(xué)進行發(fā)酵生產(chǎn)，其發(fā)酵過程高度復(fù)雜。發(fā)酵過程涉及到底盤細胞的生長、代謝和繁殖等過程，這些過程受到多種因素的影響，如接種細胞濃度、底物濃度、溫度、pH 值、氧氣濃度等，需要考慮到生產(chǎn)條件對細胞的協(xié)同增效和抑制作用，對整個體系的多維精確控制和優(yōu)化是一項龐大的工程，處處充滿了挑戰(zhàn)。研究人員通常使用小型發(fā)酵罐進行試驗，但在生產(chǎn)中需要使用大型發(fā)酵罐進行放大?，F(xiàn)有的傳感器通常只能監(jiān)測有限的參數(shù)，而控制系統(tǒng)通常只能進行簡單的反饋控制，無法對復(fù)雜的發(fā)酵過程、龐大的發(fā)酵體系進行精確控制。由于不同設(shè)備之間的差異和靈敏性，缺乏適用于不同設(shè)備的通用技術(shù)、先進的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，因此需要進行大量的試驗來找到合適的放大策略。

前期成本投入巨大對企業(yè)成長的挑戰(zhàn)

合成生物學(xué)需要大量的研發(fā)資金投入，以支持從實驗室到商業(yè)化的過渡。在生產(chǎn)中能夠?qū)崒嵲谠诘卮龠M效率和質(zhì)量的提升，最新理論的落地支撐著合成生物學(xué)茁壯發(fā)展，所以在技術(shù)創(chuàng)新、材料優(yōu)化、設(shè)備更新以及產(chǎn)品開發(fā)等方面，都需要持續(xù)不斷的資金投入。對于初創(chuàng)企業(yè)來說，資金壓力巨大，往往需要依賴外部融資，這對于企業(yè)的生存和發(fā)展都是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于合成生物學(xué)生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量受到多種因素的影響，如微生物的種類、生長條件、代謝途徑等，因此需要經(jīng)過反復(fù)的試驗和條件優(yōu)化才能實現(xiàn)量產(chǎn)，這個過程需要耗費大量的時間和資源，對于企業(yè)的研發(fā)效率和生產(chǎn)進度都帶來了很大的挑戰(zhàn)，對企業(yè)的運營成本和人力資源都提出了很高的要求。

新一代基因編輯技術(shù)

新一代基因編輯技術(shù)如 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)，為合成生物學(xué)領(lǐng)域帶來了巨大的創(chuàng)新機遇。這種技術(shù)能夠精確、高效地在基因組中插入、刪除或修改 DNA 序列，從而為解決許多重要的生物學(xué)問題提供了新的思路。通過使用 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)，科學(xué)家們可以精確定位并修改特定的 DNA 序列，從而實現(xiàn)對生物大分子的精確調(diào)控。此外，新一代基因編輯技術(shù)還可以與人工智能和大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)更高效和精準的基因編輯。例如，通過將人工智能算法與基因編輯技術(shù)相結(jié)合，科學(xué)家們可以預(yù)測特定基因編輯的效果，從而更好地控制生物大分子的修改過程。

生物信息技術(shù)

合成生物學(xué)的一個重要目標是理解和操控生命過程，這需要大量的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組甚至是微生物組數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。生物信息技術(shù)在組學(xué)方面為合成生物學(xué)提供了重要支持，如基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、液相 - 質(zhì)譜分析等等，通過對基因、蛋白等功能進行注釋，利用信息技術(shù)對功能進行分類匯總，利用統(tǒng)計學(xué)的方式，幫助科學(xué)家們更好地理解生物體的基因結(jié)構(gòu)和功能，從而為合成生物學(xué)提供重要的參考信息。除此以外，科學(xué)家們可以了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和相互作用，這對于合成生物學(xué)中的設(shè)計和改造生物體系至關(guān)重要。通過人工智能、機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，有助于科學(xué)家研究物質(zhì)的從頭合成途徑，如 AlphaFold、Chroma 等。此外，建立發(fā)酵過程孿生模型或云發(fā)酵罐，能夠減少實際繁重的操作工作，有助于科研人員能夠更加專注于研發(fā)，企業(yè)也能運用這些技術(shù)，實現(xiàn)全過程監(jiān)控和智能決策輔助，提高研發(fā)和生產(chǎn)效率。

機器人及自動化技術(shù)

在合成生物學(xué)研究中，科學(xué)家們需要進行大量的試驗來篩選和優(yōu)化生物樣品。機器人技術(shù)可以自動化地進行實驗操作，包括樣品的稱重、混合、分離和純化等步驟，自動化地進行細胞接種、培養(yǎng)、觀察和收獲，提高了細胞生長和代謝效率，大大提高了實驗效率。此外，機器人技術(shù)還可以通過精確控制實驗條件，減少人為誤差和操作失誤，提高實驗的可重復(fù)性和準確性，結(jié)合 AI 分析，機器可以自主決策，在無人監(jiān)管的情況下，持續(xù)、準確、高效地培養(yǎng)細胞或者組織，節(jié)約人力和時間成本。

Molecular Devices 美谷分子智能化、自動化解決方案

Molecular Devices 美谷分子是一家在生命科學(xué)領(lǐng)域中專注于提供儀器和解決方案的專業(yè)公司。在智能化和自動化方面為行業(yè)內(nèi)研究人員提供了多種創(chuàng)新解決方案，包括自動化樣品處理系統(tǒng)、智能化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能化實驗室管理系統(tǒng)以及自動化藥物篩選系統(tǒng)等，幾乎涵蓋了合成生物學(xué)研發(fā)階段所有可能涉及的方面。憑借在醫(yī)藥行業(yè)多年的深厚積累，美谷分子的業(yè)務(wù)已經(jīng)覆蓋了從基礎(chǔ)研究到藥物開發(fā)的全過程。為了解決研究人員在合成生物學(xué)研發(fā)過程中的痛點問題，美谷分子開發(fā)了一系列專業(yè)、精準且高效的設(shè)備，深受研究人員的喜愛。

其中， QPix 微生物克隆篩選系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于合成生物學(xué)領(lǐng)域，其結(jié)合了智能成像分析篩選和精準自動化挑取，可以對更大的菌株庫或基因文庫進行快速而高效的篩選，是一種優(yōu)秀的高通量、自動化克隆篩選系統(tǒng)，同時具備挑選克隆和數(shù)據(jù)管理的能力，有效緩解流程瓶頸。而 QPix HT 系統(tǒng)在應(yīng)用和實驗設(shè)計方面能夠提供更大程度的靈活性，與機械臂集成，實現(xiàn)了更大通量和無人看守時間。該系統(tǒng)每小時能夠篩選和挑取 3000 個微生物克隆，配合超聲波傳感器、靈活的臺面設(shè)置、可更換的微生物特異性挑針、條形碼閱讀器、針清洗和鹵素熱滅菌等模塊化部件和易于使用的分析軟件，實驗過程中能夠靈活柔和且準確地挑取多種單克隆，清晰簡潔地記錄實驗數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)全程可溯的同時，避免交叉污染。此外，用戶還能與美谷分子團隊定制 QPix 系統(tǒng)，以滿足自動化微生物克隆篩選和涂布的工作流程需求，真正做到“QPix 系統(tǒng)不僅僅是克隆挑選，還可進行板復(fù)制、重排、加樣涂布 ”高效服務(wù)于研究人員的初衷。Molecular Devices 美谷分子提供的智能化和自動化解決方案廣泛覆蓋了生命科學(xué)研究的各個方面，這些解決方案不僅顯著提高了研究的效率和準確性，同時也降低了實驗成本和風(fēng)險，為研究人員提供了強有力的支持。

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