合成生物學(xué)助力化妝品原料的開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新
2022 年，《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》指出了未來(lái)五年我國(guó)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)，在 2023 年 9 月，杭州市出臺(tái)了支持合成生物產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干措施，詳細(xì)列舉了重點(diǎn)支持領(lǐng)域，其中就包括了化妝品新原料開(kāi)發(fā)。
生物基材料替代傳統(tǒng)化學(xué)原料、生物工藝替代傳統(tǒng)化學(xué)工藝被視為未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向，也是科研工作者們努力的目標(biāo)。在過(guò)去，我國(guó)化妝品多以化學(xué)工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和國(guó)外化妝品行業(yè)的成功，中國(guó)化妝品也開(kāi)始走出了一條具有中國(guó)特色的生物科技創(chuàng)新之路，但成長(zhǎng)之路是艱難的，矛盾問(wèn)題日益突出，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者、以 Molecular Devices 美谷分子為代表的眾多企業(yè)機(jī)構(gòu)都在創(chuàng)新構(gòu)建自己的解決方案。
一 合成生物學(xué)帶給化妝品行業(yè)的機(jī)遇
合成生物學(xué)作為一門(mén)融合了生物學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的前沿交叉學(xué)科，通過(guò)設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建代謝過(guò)程必要的生物部件、系統(tǒng)，調(diào)控底盤(pán)細(xì)胞代謝過(guò)程，高效生產(chǎn)需要的特定成分，底盤(pán)細(xì)胞生長(zhǎng)快、底物利用廣泛以及產(chǎn)物單一易分離，在大規(guī)模生產(chǎn)中能夠極大提高產(chǎn)量并降低成本，被認(rèn)為是繼“DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類(lèi)基因組計(jì)劃”之后的第三次生物技術(shù)革命。
01 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(jìn)行研發(fā)和創(chuàng)新已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)，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(duì)傳統(tǒng)化學(xué)原料的依賴(lài)，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(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)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(diǎn)。國(guó)內(nèi)已有企業(yè)成功實(shí)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(dá)到了世界領(lǐng)先水平。除此以外，高校、科研機(jī)構(gòu)已探索研究了眾多活性物質(zhì)在微生物、動(dòng)植物的代謝合成通路，揭示了生命系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制，如角鯊?fù)�、蝦青素、麥角硫因、人參皂苷、三七素等等，將生物基原料生產(chǎn)技術(shù)提升至新的高度。
02 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(dòng)植物自然資源的前提下，利用底盤(pán)細(xì)胞進(jìn)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(duì)環(huán)境的污染，助力企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和，并開(kāi)發(fā)出更加安全、有效的產(chǎn)品，滿(mǎn)足消費(fèi)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(jì)，目前生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排 30％ 至 50％，未來(lái)潛力將達(dá)到 50％ 至 70％。預(yù)計(jì)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(kāi)發(fā)意義。
03 助力化妝品新原料開(kāi)發(fā)，減小國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品品質(zhì)差距
國(guó)內(nèi)化妝品行業(yè)長(zhǎng)期流傳著“國(guó)內(nèi)沒(méi)有好原料”的說(shuō)法，我國(guó)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(huì)因氣候環(huán)境等不可控因素影響，無(wú)法保障原料品質(zhì)和產(chǎn)量。而如今，原料生產(chǎn)進(jìn)入了第 5 代發(fā)酵技術(shù)時(shí)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(xiǎn)。在細(xì)胞工廠構(gòu)建時(shí)，研發(fā)人員對(duì)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(duì)關(guān)鍵代謝節(jié)點(diǎn)相關(guān)蛋白和酶進(jìn)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(biāo)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(tuán)，通過(guò)高通量篩選具有極致功效性能的細(xì)胞以及更加安全、高效的原料。
二 合成生物學(xué)對(duì)化妝品行業(yè)發(fā)展提出的挑戰(zhàn)
01 人員重復(fù)操作的不穩(wěn)定性對(duì)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?yàn)槲⑿〉牟町�，如環(huán)境條件的變化、實(shí)驗(yàn)材料等，即便過(guò)程中所有操作是規(guī)范的，在重復(fù)相同試驗(yàn)時(shí)，也可能會(huì)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(shí)驗(yàn)步驟、同一人員操作也可能會(huì)有不同的結(jié)果。這種不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(jìn)行復(fù)雜的操作，如基因克隆、細(xì)胞培養(yǎng)等，菌種的定向進(jìn)化等試驗(yàn)更是需要長(zhǎng)時(shí)間、大批量的重復(fù)操作，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工作人員的精準(zhǔn)操作要求極高，持續(xù)操作中累積的疲憊感會(huì)大大增加操作員失誤的可能性，影響實(shí)驗(yàn)的效率和結(jié)果的可重復(fù)性。
02 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(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，其發(fā)酵過(guò)程高度復(fù)雜。發(fā)酵過(guò)程涉及到底盤(pán)細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝和繁殖等過(guò)程，這些過(guò)程受到多種因素的影響，如接種細(xì)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(duì)細(xì)胞的協(xié)同增效和抑制作用，對(duì)整個(gè)體系的多維精確控制和優(yōu)化是一項(xiàng)龐大的工程，處處充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)。研究人員通常使用小型發(fā)酵罐進(jìn)行試驗(yàn)，但在生產(chǎn)中需要使用大型發(fā)酵罐進(jìn)行放大�，F(xiàn)有的傳感器通常只能監(jiān)測(cè)有限的參數(shù)，而控制系統(tǒng)通常只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的反饋控制，無(wú)法對(duì)復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程、龐大的發(fā)酵體系進(jìn)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(jìn)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)找到最佳的放大策略。
03 前期成本投入巨大對(duì)企業(yè)成長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的過(guò)渡。在生產(chǎn)中能夠?qū)崒?shí)在在地促進(jìn)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(kāi)發(fā)等方面，都需要持續(xù)不斷的資金投入。對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，資金壓力巨大，往往需要依賴(lài)外部融資，這對(duì)于企業(yè)的生存和發(fā)展都是一個(gè)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(lèi)、生長(zhǎng)條件、代謝途徑等，因此需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和條件優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，對(duì)于企業(yè)的研發(fā)效率和生產(chǎn)進(jìn)度都帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，對(duì)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和人力資源都提出了很高的要求。
三 創(chuàng)新科技智慧解決方案
01 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(lái)了巨大的創(chuàng)新機(jī)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(wèn)題提供了新的思路。通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效和精準(zhǔn)的基因編輯。例如，通過(guò)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(cè)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(guò)程。
02 生物信息技術(shù)
合成生物學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)是理解和操控生命過(guò)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(guò)對(duì)基因、蛋白等功能進(jìn)行注釋?zhuān)眯畔⒓夹g(shù)對(duì)功能進(jìn)行分類(lèi)匯總，利用統(tǒng)計(jì)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(duì)于合成生物學(xué)中的設(shè)計(jì)和改造生物體系至關(guān)重要。通過(guò)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，預(yù)測(cè)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(guò)程孿生模型或云發(fā)酵罐，能夠減少實(shí)際繁重的操作工作，有助于科研人員能夠更加專(zhuān)注于研發(fā)，企業(yè)也能運(yùn)用這些技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程監(jiān)控和智能決策輔助，提高研發(fā)和生產(chǎn)效率。
03 機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)
在合成生物學(xué)研究中，科學(xué)家們需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)篩選和優(yōu)化生物樣品。機(jī)器人技術(shù)可以自動(dòng)化地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，包括樣品的稱(chēng)重、混合、分離和純化等步驟，自動(dòng)化地進(jìn)行細(xì)胞接種、培養(yǎng)、觀察和收獲，提高了細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝效率，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。此外，機(jī)器人技術(shù)還可以通過(guò)精確控制實(shí)驗(yàn)條件，減少人為誤差和操作失誤，提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，結(jié)合 AI 分析，機(jī)器可以自主決策，在無(wú)人監(jiān)管的情況下，持續(xù)、準(zhǔn)確、高效地培養(yǎng)細(xì)胞或者組織，節(jié)約人力和時(shí)間成本。
04 Molecular Devices 美谷分子智能化、自動(dòng)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(zhuān)注于提供儀器和解決方案的領(lǐng)先公司。在智能化和自動(dòng)化方面，該公司提供了多種創(chuàng)新解決方案，包括自動(dòng)化樣品處理系統(tǒng)、智能化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)以及自動(dòng)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(kāi)發(fā)的全過(guò)程。為了解決科研人員在合成生物學(xué)研發(fā)過(guò)程中的痛點(diǎn)問(wèn)題，美谷分子開(kāi)發(fā)了一系列專(zhuān)業(yè)、精準(zhǔn)且高效的設(shè)備，深受科研人員的喜愛(ài)。
GenePix 系列芯片掃描儀
其中，GenePix 系列芯片掃描儀具有針對(duì)多種不同熒光染料分子進(jìn)行檢測(cè)的能力，配合微陣列芯片成像分析于信息學(xué)分析軟件，可以采集和分析核酸、蛋白質(zhì)、組織和細(xì)胞陣列。
CellXpress.ai 全自動(dòng)一體化類(lèi)器官工作站
CellXpress.ai 全自動(dòng)一體化類(lèi)器官工作站簡(jiǎn)化了對(duì)復(fù)雜和重復(fù)的微生物克隆篩選流程的控制和管理。同時(shí)，該工作站還是一個(gè)由人工智能驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞培養(yǎng)創(chuàng)新中心，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)輔助監(jiān)測(cè)、培養(yǎng)、成像和調(diào)度，改進(jìn)了工作流程，實(shí)現(xiàn)了工藝自動(dòng)化，并使檢測(cè)更加可靠、可重現(xiàn)。
QPix 微生物克隆篩選系統(tǒng)
QPix 微生物克隆篩選系統(tǒng)則結(jié)合了智能成像分析篩選和精準(zhǔn)自動(dòng)化挑取，可以對(duì)更大的菌株庫(kù)或基因文庫(kù)進(jìn)行快速而高效的篩選，是一種先進(jìn)的高通量、自動(dòng)化克隆篩選系統(tǒng)，同時(shí)具備挑選克隆和數(shù)據(jù)管理的能力，有效緩解流程瓶頸。在人類(lèi)基因組測(cè)序的競(jìng)賽中，因其出色的性能和可靠性贏得了良好的聲譽(yù)，每天，全球各地有 600 多套 QPix 系統(tǒng)正服務(wù)于科研院所、科技公司等。
而 QPix HT 系統(tǒng)在應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面能夠提供更大程度的靈活性，與機(jī)械臂集成，實(shí)現(xiàn)了更大通量和無(wú)人看守時(shí)間。該系統(tǒng)每小時(shí)能夠篩選和挑取 3000 個(gè)微生物克隆，配合超聲波傳感器、靈活的臺(tái)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?zé)釡缇饶K化部件和易于使用的分析軟件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠靈活柔和且準(zhǔn)確地挑取多種單克隆，清晰簡(jiǎn)潔地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)全程可溯的同時(shí)，最大化避免交叉污染。
此外，用戶(hù)還能與美谷分子團(tuán)隊(duì)定制 QPix 系統(tǒng)，以滿(mǎn)足自動(dòng)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(jìn)行板復(fù)制、重排、加樣涂布”高效服務(wù)于科研人員的初衷。
Molecular Devices 美谷分子提供的智能化和自動(dòng)化解決方案全面覆蓋了生命科學(xué)研究的各個(gè)方面。這些解決方案不僅顯著提高了研究的效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，為科研人員提供了強(qiáng)有力的支持。
四 總結(jié)
合成生物學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建代謝過(guò)程必要的生物部件、系統(tǒng)，調(diào)控底盤(pán)細(xì)胞代謝過(guò)程，高效生產(chǎn)需要的特定成分，極大提高產(chǎn)量并降低成本。這一技術(shù)為化妝品行業(yè)帶來(lái)新工藝下的生產(chǎn)效率提高、企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展、化妝品新原料開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)對(duì)現(xiàn)有生物合成技術(shù)提出了更高的要求，涉及發(fā)酵優(yōu)化放大、產(chǎn)品安全性評(píng)估等問(wèn)題。美谷分子構(gòu)建的智能解決方案針對(duì)當(dāng)下行業(yè)痛點(diǎn)，提供了專(zhuān)業(yè)、精準(zhǔn)的解決方案，助力行業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展。
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相關(guān)產(chǎn)品鏈接：
生物基材料替代傳統(tǒng)化學(xué)原料、生物工藝替代傳統(tǒng)化學(xué)工藝被視為未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向，也是科研工作者們努力的目標(biāo)。在過(guò)去，我國(guó)化妝品多以化學(xué)工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和國(guó)外化妝品行業(yè)的成功，中國(guó)化妝品也開(kāi)始走出了一條具有中國(guó)特色的生物科技創(chuàng)新之路，但成長(zhǎng)之路是艱難的，矛盾問(wèn)題日益突出，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者、以 Molecular Devices 美谷分子為代表的眾多企業(yè)機(jī)構(gòu)都在創(chuàng)新構(gòu)建自己的解決方案。
一 合成生物學(xué)帶給化妝品行業(yè)的機(jī)遇
合成生物學(xué)作為一門(mén)融合了生物學(xué)、工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的前沿交叉學(xué)科，通過(guò)設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建代謝過(guò)程必要的生物部件、系統(tǒng)，調(diào)控底盤(pán)細(xì)胞代謝過(guò)程，高效生產(chǎn)需要的特定成分，底盤(pán)細(xì)胞生長(zhǎng)快、底物利用廣泛以及產(chǎn)物單一易分離，在大規(guī)模生產(chǎn)中能夠極大提高產(chǎn)量并降低成本，被認(rèn)為是繼“DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類(lèi)基因組計(jì)劃”之后的第三次生物技術(shù)革命。
01 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(jìn)行研發(fā)和創(chuàng)新已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)，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(duì)傳統(tǒng)化學(xué)原料的依賴(lài)，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(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)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(diǎn)。國(guó)內(nèi)已有企業(yè)成功實(shí)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(dá)到了世界領(lǐng)先水平。除此以外，高校、科研機(jī)構(gòu)已探索研究了眾多活性物質(zhì)在微生物、動(dòng)植物的代謝合成通路，揭示了生命系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制，如角鯊?fù)�、蝦青素、麥角硫因、人參皂苷、三七素等等，將生物基原料生產(chǎn)技術(shù)提升至新的高度。
02 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(dòng)植物自然資源的前提下，利用底盤(pán)細(xì)胞進(jìn)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(duì)環(huán)境的污染，助力企業(yè)碳達(dá)峰、碳中和，并開(kāi)發(fā)出更加安全、有效的產(chǎn)品，滿(mǎn)足消費(fèi)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(jì)，目前生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排 30％ 至 50％，未來(lái)潛力將達(dá)到 50％ 至 70％。預(yù)計(jì)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(kāi)發(fā)意義。
03 助力化妝品新原料開(kāi)發(fā)，減小國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品品質(zhì)差距
國(guó)內(nèi)化妝品行業(yè)長(zhǎng)期流傳著“國(guó)內(nèi)沒(méi)有好原料”的說(shuō)法，我國(guó)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(huì)因氣候環(huán)境等不可控因素影響，無(wú)法保障原料品質(zhì)和產(chǎn)量。而如今，原料生產(chǎn)進(jìn)入了第 5 代發(fā)酵技術(shù)時(shí)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(xiǎn)。在細(xì)胞工廠構(gòu)建時(shí)，研發(fā)人員對(duì)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(duì)關(guān)鍵代謝節(jié)點(diǎn)相關(guān)蛋白和酶進(jìn)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(biāo)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(tuán)，通過(guò)高通量篩選具有極致功效性能的細(xì)胞以及更加安全、高效的原料。
二 合成生物學(xué)對(duì)化妝品行業(yè)發(fā)展提出的挑戰(zhàn)
01 人員重復(fù)操作的不穩(wěn)定性對(duì)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?yàn)槲⑿〉牟町�，如環(huán)境條件的變化、實(shí)驗(yàn)材料等，即便過(guò)程中所有操作是規(guī)范的，在重復(fù)相同試驗(yàn)時(shí)，也可能會(huì)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(shí)驗(yàn)步驟、同一人員操作也可能會(huì)有不同的結(jié)果。這種不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(jìn)行復(fù)雜的操作，如基因克隆、細(xì)胞培養(yǎng)等，菌種的定向進(jìn)化等試驗(yàn)更是需要長(zhǎng)時(shí)間、大批量的重復(fù)操作，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工作人員的精準(zhǔn)操作要求極高，持續(xù)操作中累積的疲憊感會(huì)大大增加操作員失誤的可能性，影響實(shí)驗(yàn)的效率和結(jié)果的可重復(fù)性。
02 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(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，其發(fā)酵過(guò)程高度復(fù)雜。發(fā)酵過(guò)程涉及到底盤(pán)細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝和繁殖等過(guò)程，這些過(guò)程受到多種因素的影響，如接種細(xì)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(duì)細(xì)胞的協(xié)同增效和抑制作用，對(duì)整個(gè)體系的多維精確控制和優(yōu)化是一項(xiàng)龐大的工程，處處充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)。研究人員通常使用小型發(fā)酵罐進(jìn)行試驗(yàn)，但在生產(chǎn)中需要使用大型發(fā)酵罐進(jìn)行放大�，F(xiàn)有的傳感器通常只能監(jiān)測(cè)有限的參數(shù)，而控制系統(tǒng)通常只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的反饋控制，無(wú)法對(duì)復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程、龐大的發(fā)酵體系進(jìn)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(jìn)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)找到最佳的放大策略。
03 前期成本投入巨大對(duì)企業(yè)成長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的過(guò)渡。在生產(chǎn)中能夠?qū)崒?shí)在在地促進(jìn)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(kāi)發(fā)等方面，都需要持續(xù)不斷的資金投入。對(duì)于初創(chuàng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，資金壓力巨大，往往需要依賴(lài)外部融資，這對(duì)于企業(yè)的生存和發(fā)展都是一個(gè)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(lèi)、生長(zhǎng)條件、代謝途徑等，因此需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和條件優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，對(duì)于企業(yè)的研發(fā)效率和生產(chǎn)進(jìn)度都帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，對(duì)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和人力資源都提出了很高的要求。
三 創(chuàng)新科技智慧解決方案
01 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(lái)了巨大的創(chuàng)新機(jī)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(wèn)題提供了新的思路。通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效和精準(zhǔn)的基因編輯。例如，通過(guò)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(cè)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(guò)程。
02 生物信息技術(shù)
合成生物學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)是理解和操控生命過(guò)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(guò)對(duì)基因、蛋白等功能進(jìn)行注釋?zhuān)眯畔⒓夹g(shù)對(duì)功能進(jìn)行分類(lèi)匯總，利用統(tǒng)計(jì)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(duì)于合成生物學(xué)中的設(shè)計(jì)和改造生物體系至關(guān)重要。通過(guò)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，預(yù)測(cè)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(guò)程孿生模型或云發(fā)酵罐，能夠減少實(shí)際繁重的操作工作，有助于科研人員能夠更加專(zhuān)注于研發(fā)，企業(yè)也能運(yùn)用這些技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程監(jiān)控和智能決策輔助，提高研發(fā)和生產(chǎn)效率。
03 機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)
在合成生物學(xué)研究中，科學(xué)家們需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)篩選和優(yōu)化生物樣品。機(jī)器人技術(shù)可以自動(dòng)化地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，包括樣品的稱(chēng)重、混合、分離和純化等步驟，自動(dòng)化地進(jìn)行細(xì)胞接種、培養(yǎng)、觀察和收獲，提高了細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝效率，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。此外，機(jī)器人技術(shù)還可以通過(guò)精確控制實(shí)驗(yàn)條件，減少人為誤差和操作失誤，提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，結(jié)合 AI 分析，機(jī)器可以自主決策，在無(wú)人監(jiān)管的情況下，持續(xù)、準(zhǔn)確、高效地培養(yǎng)細(xì)胞或者組織，節(jié)約人力和時(shí)間成本。
04 Molecular Devices 美谷分子智能化、自動(dòng)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(zhuān)注于提供儀器和解決方案的領(lǐng)先公司。在智能化和自動(dòng)化方面，該公司提供了多種創(chuàng)新解決方案，包括自動(dòng)化樣品處理系統(tǒng)、智能化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能化實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)以及自動(dòng)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(kāi)發(fā)的全過(guò)程。為了解決科研人員在合成生物學(xué)研發(fā)過(guò)程中的痛點(diǎn)問(wèn)題，美谷分子開(kāi)發(fā)了一系列專(zhuān)業(yè)、精準(zhǔn)且高效的設(shè)備，深受科研人員的喜愛(ài)。
GenePix 系列芯片掃描儀
其中，GenePix 系列芯片掃描儀具有針對(duì)多種不同熒光染料分子進(jìn)行檢測(cè)的能力，配合微陣列芯片成像分析于信息學(xué)分析軟件，可以采集和分析核酸、蛋白質(zhì)、組織和細(xì)胞陣列。
CellXpress.ai 全自動(dòng)一體化類(lèi)器官工作站
CellXpress.ai 全自動(dòng)一體化類(lèi)器官工作站簡(jiǎn)化了對(duì)復(fù)雜和重復(fù)的微生物克隆篩選流程的控制和管理。同時(shí)，該工作站還是一個(gè)由人工智能驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞培養(yǎng)創(chuàng)新中心，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)輔助監(jiān)測(cè)、培養(yǎng)、成像和調(diào)度，改進(jìn)了工作流程，實(shí)現(xiàn)了工藝自動(dòng)化，并使檢測(cè)更加可靠、可重現(xiàn)。
QPix 微生物克隆篩選系統(tǒng)
QPix 微生物克隆篩選系統(tǒng)則結(jié)合了智能成像分析篩選和精準(zhǔn)自動(dòng)化挑取，可以對(duì)更大的菌株庫(kù)或基因文庫(kù)進(jìn)行快速而高效的篩選，是一種先進(jìn)的高通量、自動(dòng)化克隆篩選系統(tǒng)，同時(shí)具備挑選克隆和數(shù)據(jù)管理的能力，有效緩解流程瓶頸。在人類(lèi)基因組測(cè)序的競(jìng)賽中，因其出色的性能和可靠性贏得了良好的聲譽(yù)，每天，全球各地有 600 多套 QPix 系統(tǒng)正服務(wù)于科研院所、科技公司等。
而 QPix HT 系統(tǒng)在應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面能夠提供更大程度的靈活性，與機(jī)械臂集成，實(shí)現(xiàn)了更大通量和無(wú)人看守時(shí)間。該系統(tǒng)每小時(shí)能夠篩選和挑取 3000 個(gè)微生物克隆，配合超聲波傳感器、靈活的臺(tái)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?zé)釡缇饶K化部件和易于使用的分析軟件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠靈活柔和且準(zhǔn)確地挑取多種單克隆，清晰簡(jiǎn)潔地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)全程可溯的同時(shí)，最大化避免交叉污染。
此外，用戶(hù)還能與美谷分子團(tuán)隊(duì)定制 QPix 系統(tǒng)，以滿(mǎn)足自動(dòng)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(jìn)行板復(fù)制、重排、加樣涂布”高效服務(wù)于科研人員的初衷。
Molecular Devices 美谷分子提供的智能化和自動(dòng)化解決方案全面覆蓋了生命科學(xué)研究的各個(gè)方面。這些解決方案不僅顯著提高了研究的效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，為科研人員提供了強(qiáng)有力的支持。
四 總結(jié)
合成生物學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建代謝過(guò)程必要的生物部件、系統(tǒng)，調(diào)控底盤(pán)細(xì)胞代謝過(guò)程，高效生產(chǎn)需要的特定成分，極大提高產(chǎn)量并降低成本。這一技術(shù)為化妝品行業(yè)帶來(lái)新工藝下的生產(chǎn)效率提高、企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展、化妝品新原料開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)對(duì)現(xiàn)有生物合成技術(shù)提出了更高的要求，涉及發(fā)酵優(yōu)化放大、產(chǎn)品安全性評(píng)估等問(wèn)題。美谷分子構(gòu)建的智能解決方案針對(duì)當(dāng)下行業(yè)痛點(diǎn)，提供了專(zhuān)業(yè)、精準(zhǔn)的解決方案，助力行業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展。
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