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合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)簡介
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 東莞證券    2024-07-30

合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)包括底盤細(xì)胞的構(gòu)建和生產(chǎn)規(guī)模放大。合成生物學(xué)從最初的產(chǎn)品選擇到最終的產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)，整體核心環(huán)節(jié)包括底盤細(xì)胞的構(gòu)建和生產(chǎn)規(guī)模放大兩個階段。底盤細(xì)胞構(gòu)建以“設(shè)計‐構(gòu)建‐檢驗‐學(xué)習(xí)”循環(huán)為核心；生產(chǎn)規(guī)模放大的過程和傳統(tǒng)發(fā)酵工程放大的過程類似，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的步驟是合成生物學(xué)產(chǎn)品是否能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

底盤細(xì)胞構(gòu)建以“設(shè)計‐構(gòu)建‐檢驗‐學(xué)習(xí)”循環(huán)為核心。底盤細(xì)胞是代謝反應(yīng)發(fā)生的宿主細(xì)胞，是將合成的功能化元件、線路和途徑等系統(tǒng)置入其中達(dá)到理想設(shè)計目的的重要合成生物學(xué)反應(yīng)平臺。由于細(xì)胞的復(fù)雜性高，人工置入的生物元件、線路或系統(tǒng)會受到細(xì)胞內(nèi)原有代謝與調(diào)控途徑的影響。

因此，對細(xì)胞工廠基本成分的挖掘與鑒定，對生物元件和線路與底盤細(xì)胞在能量與物質(zhì)代謝層面的適配與通用規(guī)律的理解，對相關(guān)生物元件設(shè)計理論與工具的開發(fā)，以及對高通量自動組裝與測試方法的完善等影響底盤細(xì)胞設(shè) 計 與構(gòu) 建 的 各 方面 研 究 工 作都 需 持 續(xù) 投入 、 通 過“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)（Design-Build-Test-Learn，DBTL)”的策略不斷完善，才能實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)“建物致知”的目標(biāo)。

其中，設(shè)計是合成生物學(xué) DBTL 策略的基礎(chǔ)，即在前期已有知識的基礎(chǔ)上遵循一定的規(guī)則，利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化生物元件對基因、代謝通路或基因組進(jìn)行理性設(shè)計。其中標(biāo)準(zhǔn)化的生物元件，尤其是 DNA 水平描述的生物元件，在設(shè)計的過程中尤為重要；

構(gòu)建過程包括 DNA 合成、大片段組裝以及基因編輯。DNA 合成技術(shù)在合成生物學(xué)的發(fā)展過程中起著十分重要的支撐作用，其不同于體內(nèi)擴(kuò)增，不需要使用模板，可直接根據(jù)DNA序列進(jìn)行化學(xué)合成，目前的主流技術(shù)為固相亞磷酰胺化學(xué)合成法；

無論是酶、報告基因或啟動子、RBS 等單個生物元件，還是邏輯線路及模塊化的代謝途徑，在通過理性或非理性設(shè)計后，都會存在大量的突變體或候選目標(biāo)，因此高效、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)的檢測方法對最佳生物元件及組合的選擇至關(guān)重要，如對酶元件的表達(dá)、純化與酶活測試，轉(zhuǎn)錄或翻譯元件以及非天然途徑的體外或體內(nèi)測試，細(xì)胞工廠改造后的時空調(diào)控及對生長和代謝的影響等。

傳統(tǒng)的檢測方法無法滿足合成生物學(xué)對大量定量化生物元件、邏輯線路及代謝與調(diào)控途徑組合的需求，目前已經(jīng)嘗試開發(fā)利用多種高通量或自動化的篩選與檢測技術(shù)來提高測試的效率；

學(xué)習(xí)過程作為合成生物學(xué) DBTL 中的重要一環(huán)，為下一個循環(huán)改進(jìn)設(shè)計提供指導(dǎo)，如基于系統(tǒng)生物學(xué)方法的組學(xué)技術(shù)進(jìn)行“基因-RNA-蛋白-代謝－表型”不同層面的分析，構(gòu)建基因型－表型和代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的知識圖譜等。學(xué)習(xí)這一過程涉及數(shù)據(jù)收集整合、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果可視化和建模分析等。

生產(chǎn)規(guī)模放大的過程和傳統(tǒng)發(fā)酵工程放大的過程類似。生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的步驟是合成生物學(xué)產(chǎn)品是否能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，生產(chǎn)規(guī)模放大的過程和傳統(tǒng)發(fā)酵工程放大的過程類似。20 世紀(jì) 80 年代后，基因工程技術(shù)的出現(xiàn)推進(jìn)了其他學(xué)科的迅速發(fā)展，國際和國內(nèi)發(fā)酵工程進(jìn)入到現(xiàn)代發(fā)酵工程階段。

發(fā)酵工程根據(jù)生產(chǎn)流程，被劃分為上游、中游和下游工程 3 部分。上游工程主要為菌種的選育和改造，以期獲得生產(chǎn)性能良好的菌株。中游工程主要為發(fā)酵過程控制，通過對發(fā)酵過程中各種參數(shù)的采集、分析和反饋，獲得產(chǎn)品積累的最佳發(fā)酵條件。

下游工程主要是對產(chǎn)品的分離和純化，采用多種技術(shù)將發(fā)酵產(chǎn)品從發(fā)酵液或者細(xì)胞中分離、純化出來，達(dá)到指標(biāo)后制成產(chǎn)品。發(fā)酵反應(yīng)的重要場所是發(fā)酵罐，發(fā)酵過程控制主要基于發(fā)酵罐進(jìn)行。

發(fā)酵罐一般具有管路系統(tǒng)（空氣、物料輸入輸出、溫控管路等）、攪拌系統(tǒng)（攪拌槳、攪拌軸和電機(jī)等）、檢測系統(tǒng)（溫度、pH、溶解氧、甲醇體積分?jǐn)?shù)等）、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)（蠕動泵，加熱模塊、電機(jī)等）等。

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