合成生物學初創再吸金,1億美金創造新型微生物
不久前,Ginkgo Bioworks的合成生物學家們暢飲了轉基因啤酒,以慶祝新自動化實驗室的建成。通過藉助機器人設備,將工程原理與生物學結合,Ginkgo Bioworks建立了一個能夠創造新奇微生物的工廠,這些微生物還從沒有在這個星球上出現過。
他們所喝的轉基因啤酒就是一個合成生物學潛在應用的很好例子。科學家現在可以合成DNA片段,並將它們導入微生物,使它們具有新奇的能力。例如,這些轉基因啤酒的啤酒酵母具有來自橙樹的基因。在發酵過程中,這些基因使酵母產生瓦倫烯,一種具有柑橘味的有機化合物——一種美味的物質。
Ginkgo Bioworks是一個總部設在波士頓的新公司,最近籌集了1億美元用來尋找合成生物學的潛在應用。它將部分資金用來建立Bioworks2,一個使用機器人生產線來創造微生物的新公司。
Ginkgo Bioworks需要對微生物進行大規模改造,以找到能滿足其客戶需求的產品。對微生物進行基因改造經常失敗,但通過高度系統的試驗,生物工程師最終可以得到可以產生目標產品的微生物,如用於香料、飲料、殺蟲劑或洗衣洗滌劑的化學成分。
該公司的商業模式以微生物本身為中心,而不是最終產品。 Ginkgo創意總監Christina Agapakis解釋道:「我們不從事製造化學品,香料或香水的業務。我們專註於生物改造,我們與客戶合作,他們最終製造產品。Ginkgo向客戶授權,如果使用它們會獲得特許權使用費。
但是對微生物進行改造可不是容易的事情。 至今人類都沒有很好地理解遺傳學,每個基因片段所代表的特徵也不完全清楚。比如,即使知道一個特定的基因在橙樹中的作用,當將它添加到酵母細胞中,它可能以意想不到的方式與酵母基因相互作用。如果從幾個不同的物種添加基因到酵母細胞,事情將變得更複雜。
這就是為什麼Ginkgo Bioworks對生物學採取工程學方法,對生物體的基因改造採用嚴格的設計 - 構建 - 測試。新實驗室的極端自動化對於這種方法至關重要,Ginkgo微生物設計主管Patrick Boyle說。 「讀研究生的時候,我只試了5個我認為最好的想法,」Boyle說,「在這裡,我們嘗試了1000個最好的想法,看看哪個結果更好。」
為了更好地了解這個過程是如何在實際生產中操作,以Ginkgo Bioworks的香水業務為例,該公司正在與法國香水製造商Robertet合作,改造酵母使其能夠產生玫瑰油,而從玫瑰花瓣中提取玫瑰油非常昂貴。
第一步設計:
Ginkgo Bioworks工程師搜索科學文獻尋找對酵母產生有用酶的基因。目的是當設計師將糖加入酵母中時,這些酶應使其進行產生玫瑰油的化學反應。但是有一個令人眼花繚亂的基因和酶的組合要考慮。「如果你有100種可能的酶,可以作為一個4步路徑的一步,將會有很多設計問題要考慮,」Boyle說。
第二步構建:
Ginkgo Bioworks將DNA的實際合成過程外包給其他公司。當一批生產完成的DNA到達Ginkgo Bioworks時,液體處理機器人通過將各種基因片段添加到酵母細胞中來構建新的生物體。 「在我讀博士期間,我花了很多時間來轉移微小的液滴,」創意總監Agapakis說。 「當我們組建Ginkgo Bioworks後,很多機器人看起來像有三頭六臂的研究生,可以同時控制很多移液槍。」隨著這些機器人能力變得更強,這個過程變得更有效率。Ginkgo Bioworks現在有的液體處理機器人可以通過聲音脈衝來快速轉移微量液體。
第三步 測試:
一旦機器人創造了1000個含有不同基因的酵母變體,便是時候看看細胞是否在製造玫瑰油。質譜儀會裂開細胞,檢查細胞內部包括產品在內的各種分子,並確定酵母是否健康。但是在這兩方面的成功並不一定意味著酵母變體將滿足客戶的需求。 Boyle說,以玫瑰油為例,Ginkgo Bioworks會研究每種酵母的整體「香味特徵」。雖然細胞可能產生某些有用的香味分子,但可能同時產生了其他的氣味。「我喜歡新鮮的烤麵包的氣味,但你絕對不會想把它當一種香水來賣,」Boyle說。
第四部 擴大規模:
Ginkgo Bioworks為典型的工程周期增加了一個額外的步驟,因為在實驗室中看起來像是完美的改良酵母細胞在客戶的發酵桶中可能表現大不相同。在實驗室的一個角落,機器人系統補充並監視成排的台式生物反應器,使用各種感測器來觀測反應器內部的過程。
如果即使是最好的產油酵母也達不到標準,公司的微生物設計師將回到工作桌前,通過實驗數據來推測下1000個最好的實驗方案。Ginkgo Bioworks的生物工程師說,總有一天,他們會做出一個完美的批次——聞起來像一朵真的玫瑰。
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