1.“合成生物”是什么？

合成生物其實就是一種“造物”的技術。它融合了生物學、化學和工程學等多種技術，以可再生生物質為原料，以生物體作為生產介質，旨在利用廉價原料，以菌群、細胞和酶為制造工廠，規模化發酵獲得目標產品，具有清潔、高效和可再生等特點。

以透明質酸（玻尿酸）為例。最初，透明質酸取自牛的眼睛，價格非常昂貴。但通過生物合成技術，相較于傳統的化學技術，既安全環保，成本又低，真正實現了科技改變生活。合成生物學，蘊含著“一切皆可合成”的潛能，隱藏著解鎖新質生產力的密碼，也是目前從海外到國內最火的未來產業新賽道之一。如江南大學團隊利用合成生物學技術，借助微生物發酵生產普通分子量的透明質酸，把成本降到每公斤幾百元，實現了透明質酸大產量推廣應用。團隊通過人工合成方法，對現有的、天然存在的生物系統進行重新設計和改造，甚至創造出自然界不存在的“生物結構”，大大提高了產量。

2.合成生物學表型測試生物反應器有哪些？

合成生物學經過多年的發展，形成了典型的細胞工廠創制“設計-構建-測試-學習”（design-build-testlearn， DBTL） 循環，成為支撐面向加速生物制造發展的智慧生物育種的重要方法。其中，測試環節是對前期所設計與構建的生物體系進行表型測試，以提供大量數據用于后續的學習和迭代升級。測試階段的通量主要依賴于細胞自身或其培養測試所使用的生物反應器及其裝備，是整個DBTL流程的限速步驟。本文系統綜述了合成生物學表型測試所開發的面向不同通量的生物反應器及裝備，從單細胞檢測和篩選及不同尺度生物反應器包括皮納升級生物反應器、微升級生物反應器、毫升級生物反應器和升級生物反應器等。

在DBTL循環的表型測試環節中，針對不同應用目標和不同通量需求的測試，生物反應器成為主要的表型研究工具，比如單細胞檢測篩選技術、基于多孔板的高通量篩選技術以及基于微流控的高通量篩選技術。

1）單細胞分選法

單細胞篩選是指根據細胞自身的特征，如細胞的形狀、密度、大小、光信號、圖像特征等進行篩選。單細胞懸滴法則是根據液滴重力或微泵將包含單個細胞的液滴分配到目標基板（如微孔板）上，而非目標液滴則被轉移至廢液收集瓶中，分選過程溫和，但速度受限。此外，近年來有許多研究在微流控芯片上設計了許多微結構以實現細胞或粒子的主動分選，包括微井結構陣列單細胞捕獲、確定性橫向位移 （deterministic lateral displacement， DLD）和慣性流系統（inertial microfluidic），可基于單個細胞的直徑大小和彈性對大量細胞進行快速高通量分選，且無需對細胞進行標記檢測即可實現目標細胞分離。

圖1單細胞檢測與分選裝置工作原理圖

2）皮納升級微型生物反應器

皮納升級生物反應器體積范圍 1 pL～100 nL，主要包括兩種類型：一種是采用微加工技術在基板上制作微孔陣列，微孔直徑常小于500 μm，細胞裝入微孔中進行培養和檢測，基于

微孔的單細胞篩選的通量約為102～103個；另一種是基于微液滴的生物反應器，它是由液滴微流控技術產生的，將細胞封裝在液滴中進行培養和檢測，液滴直徑常小于 200 μm，基于微液滴的單細胞篩選技術的通量為105～108個。這些皮納升規模的生物反應器相對于大型生物反應器可以有效提高細胞生長的初始濃度，為單細胞提供非競爭性的生長空間 ，更有利于細 胞的生長和代謝。

液滴微流控是指通過油相和水相在微流控芯片中進行相互剪切，形成大規模的均勻液滴群，這些液滴直徑常小于 300 μm，在微生物學高通量單細胞培養和分析方面已顯示出其獨特優勢。微液滴具有通量高、體積小、易操作、傳質傳熱迅速等特點，已日益成為單細胞分析的重要工具，其應用包括聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR）、細胞培養、分選、分離、克隆形成、細胞裂解、基因和蛋白質表達、抗體分泌以及細胞毒性分析研究。在微生物學領域，液滴通常是指油包水（Water-in-Oil， W/O）結構的微液滴，可以很容易地通過主動和被動的液滴生成技術制備。單細胞培養的液滴大小從皮升到納升不等，由于細胞在生成液滴過程中是隨機分配到液滴內的，被包裹在液滴中的細胞數量及其分布概率服從泊松分布統計學規律，這與有限稀釋方法類似。為了提高單細胞包封率，研究人員利用慣性流體技術或介電泳技術對芯片上液滴生成單元上游的細胞進行排序，并控制其逐一進入液滴，使得單細胞包封率可提高至 80% 以上。液滴形成后，可將液滴群儲存在小容器中，如離心管、微管或其他自制容器中，然后放置在合適的溫度、濕度和氣體環境中進行孵育，微生物可在液滴中進行增殖和代謝。考慮到不同微生物種類需要不同的氧氣濃度，研究人員采用高透氣性微管路來儲存液滴，氧氣和二氧化碳可以通過管壁不斷滲透到油相中，或者對油相進行反復充氧，使其給液滴供氧。

液滴的檢測與流式細胞術類似，其檢測信號包括熒光、拉曼、圖像、光散射、阻抗、核磁、電化學、質譜和光吸收度等。對于液滴分選，與單細胞分選方式類似，仍然可以利用電場、磁場、光場、聲場、重力場、流體動力場所產生的力來驅動液滴到收集或廢液通道。通過上述檢測方式和分選方式的組合集成，可以實現高通量、高效率的微生物檢測與篩選。在皮納升微液滴反應器中，較為廣泛使用的裝置是熒光激活液滴分選系統（fluorescence activated droplet sorting，FADS）。其是將液滴熒光檢測和介電泳分選方式進行集成設計，檢測到液滴熒光信號后，如果是感興趣的目標液滴，則在微流控芯片下游用介電泳所產生

的驅動力推動至收集通道中，完成液滴的檢測分選，該技術平臺在微生物高通量篩選和酶進化領域已經獲得了廣泛應用，有較多的相關文獻綜述報道。

圖2基于皮納升微液滴的單細胞表型測試與篩選

3.微流控技術在合成生物學的應用前景展望

液滴微流控技術具有操作容易、通量高、液滴培養數字化和易自動化等特點，是適于合成生物學高通量表型測試的頗具廣泛應用前景的方法。商業化的裝備系統體積小、運行成本低、使用和維護方便，越來越受到廣大科研人員和工程技術人員的關注，成為合成生物學發展的智慧平臺。目前，液滴微流控技術仍處于產業化上升期，雖然已有部分技術實現了產業化推廣，但如何進一步實現微液滴的高度穩定、提升液滴通量的精準可控性、實現微液滴裝備的創新定制化以及液滴操作的標準化和自動化等方面仍然存在大量的基礎科學和工程科學問題需要深入研究。另外，需要發展更多適用于不同尺度液滴體系的表型測試傳感器，顯著提升表型表征能力，構建更多維度的基因型-表型模型，為液滴微流控技術在DBTL循環中的應用提供更強大的使能工具，最終實現開發國產替代高通量自動化合成生物設施平臺，突破我國生物技術裝備研發能力弱、自主創新設備欠缺等“卡脖子”問題，加速我國合成生物技術原始創新步伐，支撐綠色生物經濟的高質量發展。

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審核編輯 黃宇