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2016年11月，Ginkgo Bioworks公司的合成生物学家举起盛满转基因啤酒的酒杯庆祝新自动化实验室的建成。通过将工程学原理应用于生物学，在先进机器人设备的协助下，Ginkgo公司建立了一家工厂，用于生产一些形态奇特的生命，可以说在地球上是前所未见。
他们喝的自酿酒就是这种合成生物学的一个潜在应用领域。合成生物学作为一个新的领域，就是基于基因组组装方法所取得的最新进展所形成的。现在，科学家们可以制造合成DNA片段，并将其导入生物体，增加一些奇怪的特性。例如，用于制作庆祝派对啤酒的酵母拥有来自于橘子树的基因。在发酵的过程中，这些基因会使酵母产生朱栾倍半萜，一种有柑橘味道的有机化合物。用科学的语言来说，就是这种啤酒很好喝。
Ginkgo Bioworks是一家位于波士顿的年轻公司，最近刚刚筹集到了1亿美元，旨在发现更多有用的合成生物学应用。其中一部分资金用于建设其新的大型实验室Bioworks2，这间实验室利用机器人系统建立生物体流水线。
Ginkgo需要实现微生物的大规模生产，以明确哪些能够成为客户的微型生物工厂。很多转基因的生物体都会出现一些缺陷，但通过高度组织化的试错，生物工程师们将最终找到一种微生物，达到人们想要的效果——就像是用于香水、饮料、杀虫剂或洗涤剂的化学组分一样。
该公司的业务模式以微生物（而不是最终的制成品）为中心。“我们不是在制造化学物质、味道或香味。”Ginkgo公司的创意总监克里斯蒂娜·阿加帕奇斯（Christina Agapakis）解释道，“我们是专业的微生物制造商，和负责产品生产的客户是伙伴关系。”她说，Ginkgo公司为其客户提供使用微生物的许可，并从客户的使用中收取使用费。
1 设计 生物体设计师从一系列动植物中选取基因，并将其用上百种方法进行组合。每一个组合都是一个独特的DNA片段。
2 制造 机器人设备将所有的片段导入各个酵母细胞中，并融入其DNA，改变酵母功能。
3 测试 Ginkgo公司的客户希望这些转基因的酵母能生产出一些独特的产品。光谱仪器对所有的酵母细胞进行分析，以便找出是否获得了想要的产品。
4 扩大规模 Ginkgo公司将其最好的制造机器放到生物反应器中，看其在产业规模下的表现。所学到的经验教训可以帮助生物体设计师们为下一轮的试验做出更好的选择。
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不过，要想制造出符合规格的微生物并不是一件容易的事。我们对基因的了解仍然非常有限；也没有一套通用的基因清单列出每一个人的特征。即使研究人员知道某个基因对于橘子树来说意味着什么，当他们把该基因段导入酵母细胞时，该基因段也可能会与橘子树本身的DNA产生意想不到的反应。如果把不同物种的几个基因段导入该酵母细胞，则情况更为复杂。
这也就是为什么Ginkgo公司采取的是生物工程方法，严格地将设计-制造-测试周期法应用到活体微生物的生产中。Ginkgo公司生物体设计负责人帕特里克·波义耳（Patrick Boyle）表示，新实验室的高度自动化对于应用该方法至关重要。“在读研究生时，可能我有5个最好的想法，我会把这5个想法都试一遍。”波义耳说，“在这里，我们则有1000种，我们会把这1000种想法都试一遍，看看哪个能够达到我们预期的效果。”
为了更好地理解其实际工作原理，我们以Ginkgo公司在香水领域所做的首次尝试为例。该公司正在与一家法国的香水制造商合作研究一种可以释放出玫瑰精油的酵母，因为从玫瑰花瓣中提取该物质非常昂贵。
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设计：Ginkgo公司的设计师们从文献中寻找可以使酵母产生有益酶的基因。目标是，当设计师们向酵母中加糖时，这些酶应使其发生化学反应，最终释放出玫瑰精油。这里有大量的候选基因和酶。“如果你有100种可能的酶可以用于4步中的1步，那么就说明还是有很大的设计空间可以探索的。”波义耳表示。
制造：Ginkgo公司把合成DNA的实际制造进行了外包。当一批做好的DNA到达Ginkgo公司时，处理液体的机器人就会把这些基因段加入酵母细胞中，制造出新的生物体。“在我读博士期间，我花了很多的时间把微量液体移来移去。”创意总监阿加帕奇斯说，“当我们刚刚创办Ginkgo公司时，很多机器人都看起来像是长着8只手的研究生——有很多的移液管。”随着这些机器人能力的不断提高，工艺也逐渐得到了改进。现在，Ginkgo公司的液体处理机器人可以利用定向声音脉冲来实现纳升级液体的快速移动。
测试：机器人制造出1000个包含各类基因的酵母变种后，就该看看这些细胞能不能释放出玫瑰精油了。大型的光谱机器可以打开细胞，检查里面的所有分子，寻找产物，确定该酵母是否健康。但健康并不一定意味着该生物体可以满足客户的需求。波义耳说，对于玫瑰精油来说，Gingko公司对每一种酵母的整体“香味属性”进行了研究。一个细胞可以产生某些有用的香味分子，也可以产生其他的无用分子。“我喜欢新鲜出炉的面包的香味，但如果你卖的是香水是那个味儿，可就不太好了。”波义耳说。
扩大规模：Ginkgo公司在正常的工程周期中加入了一个额外的步骤，因为实验室中看似胜利的转基因酵母细胞可能在客户的发酵缸里却不起什么作用。在实验室的一个角落里，机器人系统负责填满和监测台式的生物反应器，利用各类感应器监视内部的流程。
如果其最好的酵母都不符合要求的话，那么公司的生物体设计师们就得重新开始设计，把实验结果用于指导下一批1000种最佳猜想。Gingko公司的生物工程师说，终有一天，他们将制造出完美的批次——闻起来就像是一朵玫瑰花。
作者：Eliza Strickland
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