MEGA访谈|司同：AI自动化装备是合成生物发展的重要“加速器”

系列导读：

MEGA访谈系列是镁伽推出的谈话类专栏，将邀请获得2022镁伽工程奖的获奖者，围绕他们本次获奖项目，分享在各自领域的研究成果和技术创新，并聊一聊对未来生命科学领域的技术、产业的看法和展望。

本次访谈，我们请到了来自中国科学院深圳先进技术研究院的司同研究员，他的《自动合成生物技术及工程设施》项目获得了本届镁伽工程师奖。今天他将分享个人的科研经历以及“深圳合成生物研究重大科技基础设施”项目情况。

本期受访嘉宾简介：

司同博士，研究员，博士生导师，国家重 点研发计划首席科学家，深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师。清华大学化生基科班本科，美国伊利诺伊大学香槟分校UIUC博士。目前主要致力于自动化合成生物研究的理论、技术和应用。

前期成果在Nat Commun, JACS, Angew Chem等国际著名学术期刊发表论文50余篇，“谷歌学术”引用超过2500次。任《合成生物学》期刊编委，《Frontiers in Microbiology》副主编，《中国生物工程学会合成生物学分会青年工作组委员。曾获国家海外高层次人才（青年）、广东省珠江青拔、国家优秀自费留学生、Baxter青年科学家奖等荣誉。

合成生物学的核心思想是通过工程学的方法改造生命（细胞等）或从源头开始构建人工生命系统，实现治   疗疾病、生产产品、治理环境等目标。但合成生命体高度复杂，目前缺乏可预测性设计（或理性设计）的指导，通常需要海量的试错性实验才能实现目标功能，因而合成生物学领域迫切需要实验室自动化的解决方案，完成合成生命体的规模化设计、构建和测试。与此同时，近几年来政府相关会议和文件中也多次提出重大科技基础设施是科学技术取得核心突破的重要“利器”，以此来提升国家创新科技硬实力。

司同研究员参与建设的“深圳合成生物研究重大科技基础设施”项目，正是在此背景下应运而生。

合成生物领域智能自动化，是噱头还是革新？

 我们先简单了解一下您所主要研究的领域——合成生物学，它被认为是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序”之后的第三次生物技术革命，为什么它对人类如此重要？

物质能量生产是社会活动发展的基石。相比传统化工，合成生物的生产方式更为绿色、高效、低碳、环保（“造物致用”）。与此同时，利用工程学方法对生命进行人工重构的实践，有望实现对生命现象中底层定量规律的解密，最 终实现合成生命体的理性设计并释放其应用潜能，这种突破对人类发展产生的影响是超乎想象的。

您目前主要从事合成生物学领域的哪个研究方向？

目前主要做两方面。一方面是研究生物合成和生物催化，希望通过生物制造过程合成目标产品，另一个是建立自动化合成生物的手段。

自动化手段为什么对合成生物学研究具有重要意义呢？生命是复杂系统，其运行规律是非线性的，因此理性设计面临巨大困难。例如合成青蒿素的人工酵母研究，为找到“对的菌株”，只能依赖反复人工试错，花费了十年时间。“可预测性”设计的实现依赖与对定量规律的把握，而定量规律的解析需要规模化、标准化的数据，这是单纯人力无法达到的。依靠自动化手段，可以让机器做重复、可控、大规模的实验。

不仅如此，自动化、高通量的设备平台和标准化的实验方法、算法和流程，能解决行业里研究速度慢、效率低、人力成本高的问题，促进合成生物领域公司落地。我们还可以将自动化产生的大数据与机器学习等“人工智能”方法结合，构建数据驱动的“黑箱模型”，再通过定量表征和数理建模的研究方法，构建假说和知识驱动的“白箱模型”。因此，自动化手段一方面可以在“供给侧”加速提供能源、医药、可持续发展等方面的合成生物解决方案，一方面可以加深对生命定量规律的理解，最 终实现理性设计。

您目前参与建设的“深圳合成生物研究重大科技基础设施”（以下简称“合成大设施”）就是集合了自动化合成生物手段的平台，您当时是怎样加入建设这个平台的？这个平台具体是做什么的？

在伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）求学期间，我在赵惠民教授课题组参与设计、建设和运行了全 球首 个全自动合成生物学研究平台iBioFAB，2018年，深圳市通过了合成大设施的可行性研究论证，设施的牵头建设单位——中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称合成所）刘陈立所长邀请我加入合成所，建设这一全 球最 大规模的自动化合成生物学平台，这跟我过往的经历和理念非常契合，于是加入了合成所并开展项目建设。

合成大设施是一座集科研、教学、咨询及服务功能于一体的基础设施平台，用于支持国内外合成生物领域的科研、教育和应用研究，重 点建设内容包括设计学习平台、合成测试平台、用户检测平台，就像一座理性设计合成生命的高度自动化工厂。

“合成大设施”建立的初衷和能解决的痛点是什么？

“合成大设施”建立的初衷其实跟刚才所说的自动化手段重要性分不开——合成生物的研究过程非常复杂，需要科学的预测模型和高效的自动化手段，因此需要“合成大设施”这样一个平台支撑，将工业 4.0 中的信息化、智能化理念和技术应用于合成生物学研究。

设施可以为合成生物学研究提供较为完备的设施和平台，下游应用领域或行业的用户无需完全掌握合成生物学的知识，只要提出目标功能，就可以在设施的云端实验室开展合成生物设计并按照标准流程开展实验，最 终获得符合需求的酶和菌株等。同时，初创公司只需要缴纳低廉的租金，就能享受开放共享的专业设备，从而降低了生物学研究的门槛，可以让更多的人以及技术参与到其中，共同推进合成生物学的发展。

“合成大设施”进一步的发展目标是什么？

下一代自动化设施主要目标之一是实现研究要素的集成，包括装备、工艺、控制、数据、实验人员和专家系统等，实现全流程自动化；第二是信息化，把合成生物设计变成可机读指令，进一步产生标准化数据，构建工业自动化或者工业数字化的框架。短期来说，通过数据化、信息化打造出黑箱模型驱动的“自主实验室”，替代研究人员的手和眼，产出可应用的解决方案；长期来说，从“黑箱”走向“白箱”，解析定量规律指导合成生命的理性设计，替代研究人员的大脑，产出普适的知识和智慧，这是设施发展的终 极目标。

对于镁伽，未来要做哪方面的突破？

您认为合成生物学领域还存在哪些挑战，未来的发展方向又是什么？

合成生物学领域挑战之一是没有真正形成大数据，未来发展方向第 一是自动化平台，第二是标准的建立和推广。

第二个挑战是放大量产。从实验室到工业化生产，需要解决大量技术、工程和市场问题。

第三个挑战是设计复杂生物系统。虽然合成生物学已经成功地构建了一些简单的工程生物系统，比如微生物改造等，但对肠道菌群、动物、植物的设计、构建和测试仍面临诸多挑战，需要针对这些复杂生命体系开发自动化解决方案。

镁伽一直专注于生命科学领域的实验室智能自动化，跟您所研究的课题有较强的相关性，通过您对镁伽的了解，您对镁伽这方面的发展有什么看法和建议？

镁伽作为供应商参与大设施建设，因此和公司科研人员有过交流。在自动化设备方面，镁伽有很深刻的理解和丰富的经验，已经研发出不少高质量的智能自动化产品。然而，合成生物学领域内实验设备需要满足更为个体化的需求，需要根据这个细分领域的研究需求和工艺细节开展大量定制和适配工作，这方面需要跟领域内专家有更多的交流与合作。

另外，合成生物领域实验室设备的集成化也是未来发展趋势。集成化设备可以将多个实验室设备集成到一个系统中，从而实现更高的灵活性和效率。此外，这种设备还可以搭建统一的平台，实现多种实验，例如基因编辑、基因表达、细胞操作等。相比于购买多个独立的设备，这种集成化设备可以更加便捷地完成实验。我认为镁伽今后也应该更多地关注如何解决实验室集成化的问题，期待镁伽在生命科学领域有更好的发展。

兴趣爱好，也能发展成理想职业？

刚才聊到很多关于您研究领域的内容，现在我们聊回关于您职业最初选择的话题——您为什么选择走科研学术的道路，其实这条路并不好走。

主要还是出于个人兴趣。我在高中时获得全国生物竞赛金牌，准备竞赛过程中做了很多有趣的实验；到了大学，由于化生基科班的培养要求，大一就加入化学系李艳梅教授课题组，参与老年痴呆症相关的研究。虽然科研难免反复和痛苦，但当自己提出的新思路能够解决领域内的痛点，或者发现一个全新的现象和规律时，那种成就感是无与伦比的。

您是如何选择自己的科研方向的？

在博士论文中，我致谢了我的父亲给予我的化学工程基因，因为他一直在从事煤化工方面的工作，虽然这是玩笑，但我确实在科研方向选择上比较顺理成章，没有太多的纠结。一直以来，我都在合成领域做研究：大学期间的方向是化学合成，博士开始一直在研究生物合成，我认为物质变化是特别令人着迷的。