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“大白”来做实验!

2018-06-12 14:43 来源:大洋网

一个机械臂在做实验。  

合成所的实验室右侧是传统的生物研究人员工作场景。  

一个“机器人研究人员”在做合成生物学实验。  

大洋网讯 在电影钢铁侠系列里,男主人公托尼给智能系统布置了机甲和方舟反应炉的研发方向,然后去参加party和享受生活了,所有的研发都由机器人自主完成。

如今,这种场景正在变为现实。

近日,记者走进了中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所(筹)(以下简称“合成所”),看到了国内屈指可数的几套自动化研究设备之一。

机器人能自动完成各类生物实验

当记者走进中科院深圳先进院合成所的实验室时,瞬间就被实验室左右两边的对比所震撼了。实验室的右侧是传统的生物研究人员工作场景,研究人员是清一色的一身白色实验服,专注地摆弄着各种试剂,小心翼翼地使用着各种仪器。实验室的左侧是一个“机器人研究人员”,只见一个机械臂在轨道上来回“走动”,穿梭在各种设备中间,一边摆弄试剂,一边操作各种检测仪器,整个过程完全没有人类研究员在旁边操控。

合成所所长助理、研究员傅雄飞向记者介绍称,这一套小型的自动化研究设备是属于自动化实验室的一部分,也是近两年国际开始流行的科研方式。当研究人员设计好整个实验的流程,机器人就可以自动化地进行合成生物学实验了。

傅雄飞举例说,它目前已实现了自动化地做DNA的提取、编辑、拼接和转化实验,还可以做细胞的培养、细胞生物学特性测定等。

高通量让更多的自动化实验成为可能

机器人代替了研究人员?这话听起来有点吓人,但在傅雄飞看来,使用机器人的好处就是能解放研究人员——让机器人代替研究人员完成一些重复性的科研实验,从而解放出了研究人员的双手。“研究人员应该是脑力劳动者,而不是体力劳动者。”

那使用自动化研究设备有哪些优势?

一方面是效率高。傅雄飞介绍说,自动化研究的效率高是表现在它的通量(单位时间内的产量)大,可以在同一时间操作数以百计的样品。“你看它一根针一根针下去,就在那边加试剂、测试反应。传统上这个工作由研究人员来做,只能每次一根针或数根针来加。而用机器人来做,这种小型的试验一次就能加96根,甚至更多的是一次384根。”

记者了解到,作为合成生物学的研究对象——“人工合成生命体”,对它的系统研究需要通过大量的“设计-合成-测试-学习”闭环的循环研发过程。不断重复的实验、海量的分析数据非常浪费人力和时间,这被称为生物学研究中“不必要的必需”,也让生物学实验室被戏称为“劳动密集型工作”。而自动化研究设备正是解决这个痛点。

数据显示,美国工程院院士基斯林的数十人研究团队花了10年时间研发了人工改造微生物合成生产青蒿素的前体青蒿酸;而由该团队转化的公司Amyris利用全自动化研究设备研发微生物合成精油分子,仅两人的研究团队只花了一年左右就完成了人工改造菌株的研发。

另外一个优势是标准化。因为人工操作往往因为诸多不可避免的系统误差,往往导致合成生物学研究中的可重复性比较差。傅雄飞告诉记者:“自动化机器操作就可以通过标准化的流程、精确的操作、统一的测试,提高实验的可重复性。”

云端实验室让研究员变成托尼

前文提到的那种仿佛跟钢铁侠托尼一样的实验室场景——研究人员通过线上可以在世界的任何角落给网络提交实验设计,然后由机器人自动地完成所有的实验流程——什么时候能实现呢?

傅雄飞告诉记者,这就是他们主导设计的云端实验室的场景。“在云端实验室里,我们可以用算法、软件、数据库来辅助研究员的设计,研究人员可以在世界各地登陆我们的云端实验室,把实验的流程设计好之后,让实验室里的机器人自主完成合成生物的合成测试实验,然后得到结果。”在这个实验室里,合成生物学可以高通量标准化地完成“设计-合成-测试-学习”闭环的循环研发过程。所以,“在这个云端实验室里,将不仅仅是你看到的这个机器人,后面还包括人工智能、大数据等。”傅雄飞说。

据了解,由深圳合作所牵头打造的“合成生物研究重大科技基础设施”(简称“大设施”)已经获深圳发改委批复立项,该项目计划投资约10亿元,预计今年年底开始动工。“大设施”将是目前世界上理念前瞻、启动最快的合成生物学科研基础设施,其中就包括了全自动化实验室、云端实验室这些概念。

将为科研机器人弯道超车提供契机

傅雄飞还告诉记者,全自动化实验室的发展将会为国内科研机器人打破国际垄断,实现弯道超车提供契机。

傅雄飞指着实验室里这套自动化研究设备说,“如今这套是全进口的。人们会问,为什么我们不能做自己国产化的自动化实验室?所以,这也会是我们建‘大设施’的一个重点方向。”

他说:“传统设备在工艺上大都是给人用的,但自动化实验室是首先实现机器人来操作和整合各种设备,这方面是一个新兴发展的方向,可以说国内外处在同一起跑线。尤其是合成生物学领域,该学科的特征需要海量工程试错,极需自动化实验室的辅助。在即将启动的‘十三五’合成生物学重点研发计划,科技部与深圳科创委首次尝试以‘部市联动’的模式,布局了多个项目来攻关合成生物自动化装备的关键技术,推进高端生物研究仪器的国产化。”

“而我们大湾区有大量的生物医药研发需求,也有完整的智能制造业体系,结合起来会有我们的优势,所以我们就有了弯道超车的机会。”傅雄飞说。

文/广报全媒体记者 王纳

图/广报全媒体记者 轩慧


[ 编辑: 韦馨尧 ]
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