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生物鑄造廠（Biofoundries）作為合成生物學(xué)和人工智能交叉融合的代表領(lǐng)域，為大規(guī)模合成生物的制造提供了平臺。這不僅會為棘手的政策問題提供新的解決方案，而且生物鑄造廠還可能對社會產(chǎn)生重大影響。生命科學(xué)與信息科學(xué)融合產(chǎn)生的未來場景是生物信息的未來。未來，當(dāng)合成生物學(xué)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，公眾對相關(guān)的政府和研究機(jī)構(gòu)日益了解，將對變革潛能的認(rèn)識和評估具有重要意義。科學(xué)家、技術(shù)人員、從業(yè)人員和決策者需要與生物鑄造廠運(yùn)營商和公眾密切合作，共同塑造和引導(dǎo)生物信息的美好未來。

1  生物鑄造廠

基因組鑄造廠或生物鑄造廠在高度自動化的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)工作流程中，通過高通量模塊化的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，設(shè)計(jì)和構(gòu)建用于研究和生物技術(shù)的基因重組生物體，例如麻省理工學(xué)院鑄造廠、銀杏生物工廠、Amyris和倫敦生物鑄造廠等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和工業(yè)生物鑄造廠。這些生物鑄造廠可以作為單站點(diǎn)或全球集成實(shí)驗(yàn)室提供解決方案，其中每個站點(diǎn)都在工業(yè)或研究流程中發(fā)揮作用。一般來說，生物鑄造廠不是根據(jù)它們的位置、使用的設(shè)備或生成的數(shù)據(jù)來分類，而是根據(jù)它們實(shí)現(xiàn)工程生物系統(tǒng)目標(biāo)的自動化工作流程。

本文圍繞生物鑄造廠中合成生物學(xué)和人工智能整合框架的五個政策挑戰(zhàn)：健康人群（Healthy People）、繁榮經(jīng)濟(jì)（Prosperous Economies）、彈性社會（Resilient Societies）、安全星球（a Secure Planet）和創(chuàng)新技術(shù)（Innovative Technologies）（圖1）。“健康人群”領(lǐng)域關(guān)注健康結(jié)果、綜合保健與健康的研究；“彈性社會”由能夠加強(qiáng)倫理、公正和包容的社區(qū)創(chuàng)新組成；“繁榮經(jīng)濟(jì)和安全星球”的領(lǐng)域概括了生物鑄造廠以可持續(xù)方式提高經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力并促進(jìn)繁榮的能力；“創(chuàng)新技術(shù)”是指能夠使合成生物學(xué)和人工智能進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)、系統(tǒng)、設(shè)計(jì)和實(shí)踐等。

圖1  目前的重大挑戰(zhàn)

2  生物鑄造廠的融合

合成生物學(xué)和人工智能兩個領(lǐng)域的技術(shù)在生物鑄造廠中自然而然地結(jié)合。合成生物學(xué)中使用的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測試學(xué)習(xí)周期非常適合機(jī)器學(xué)習(xí)（圖2），具有良好表征的生物體非常適合人工智能的整合。例如，釀酒酵母是研究和工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)模式生物，具有幾乎無限的新陳代謝設(shè)計(jì)空間以及更小的解決方案空間。解決方案空間中特定設(shè)計(jì)的質(zhì)量檢查是人工智能非常擅長的領(lǐng)域。目前，生物鑄造廠工藝還是需要人們進(jìn)行創(chuàng)造和評估的設(shè)計(jì)工作流程，但將來越來越多的生物鑄造廠在設(shè)計(jì)-建造-測試-學(xué)習(xí)周期的每個環(huán)節(jié)都可以通過人工智能來實(shí)現(xiàn)。

圖2  合成生物學(xué)與人工智能在生物鑄造廠的融合

使用人工智能的最終目標(biāo)是基于先前學(xué)習(xí)周期的自動化設(shè)計(jì)。合成生物學(xué)的設(shè)計(jì)和解決方案空間超出了人類的理解能力，人工智能能將這些空間降低到人可以進(jìn)行有效生產(chǎn)和測試的規(guī)模。此外，人工智能還可以抵消人類設(shè)計(jì)師的認(rèn)知偏差。通過在部署前標(biāo)記次優(yōu)流程，對組裝過程產(chǎn)生積極的反饋。例如，微軟的Station B就是一個人工智能實(shí)驗(yàn)室，Codexis和Zymergen也能通過專利軟件和人工智能來設(shè)計(jì)新型蛋白質(zhì)。通過人工智能，能夠進(jìn)行具有自動設(shè)計(jì)改變的多重測試周期，還可以及時調(diào)整設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)一步減少人類的工作。

因此，在最復(fù)雜的生物鑄造廠中，人類已經(jīng)從重復(fù)的工作流程中解放出來。減少設(shè)計(jì)生物鑄造廠過程花費(fèi)的時間，將更多的時間用于設(shè)計(jì)項(xiàng)目目標(biāo)，例如，Synthace設(shè)計(jì)的Riffyn、Benchling和Antha等。目前，“人在循環(huán)中（human-in-the-loop）”的方法正在向“人在循環(huán)上（human-on-the-loop）”的方法過渡，在特定情況下，還會有“人在循環(huán)外（human-out-of-the-loop）”的方法。十多年來，企業(yè)已經(jīng)在推動這種轉(zhuǎn)變，例如，利用專有算法的專有數(shù)據(jù)創(chuàng)造價值。如果把合成生物學(xué)廣義地定義為生物的工程化，那么生物信息也可以廣義地定義為生物信息管理工程。從這個意義上，它不同于生物信息學(xué)，不僅是因?yàn)閷ΜF(xiàn)實(shí)世界中有機(jī)體的特性認(rèn)識不同。相反，它是關(guān)于利用信息體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、創(chuàng)建和部署真實(shí)世界場景的新型生物設(shè)備。

3  迎接重大挑戰(zhàn)

作為一種平臺技術(shù)和科學(xué)實(shí)踐模式，合成生物學(xué)已經(jīng)解決了諸如合成青蒿素和生物燃料等所帶來的經(jīng)濟(jì)和政治挑戰(zhàn)，未來或?qū)磙r(nóng)業(yè)和新療法的變革。幾千年前，酵母的馴化從根本上改變了社會，珍妮紡紗機(jī)預(yù)示著工業(yè)化的到來，同樣，工程生物學(xué)代表了農(nóng)業(yè)和工業(yè)的新變化。合成生物學(xué)是基因水平生命科學(xué)的工業(yè)化。未來生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的區(qū)別不在于用什么工具，而在于它們的使用方式以及它們的用途。生物鑄造廠正在以變革的方式重塑生產(chǎn)力，而不僅僅是產(chǎn)量略有增加或成本略有下降的方式。

在健康人群領(lǐng)域，合成生物學(xué)正在癌癥治療、疫苗和鎮(zhèn)痛劑生產(chǎn)以及基因治療方面取得進(jìn)展；在安全星球領(lǐng)域，合成生物學(xué)開發(fā)了新的作物品種，可以開發(fā)監(jiān)測環(huán)境的生物傳感器，合成生物學(xué)正在進(jìn)行的人工光合作用研究作為可持續(xù)能源的來源可能將具有革命性意義；保護(hù)和促進(jìn)彈性社會的挑戰(zhàn)決定了需要不斷地與公眾接觸，從而確保實(shí)現(xiàn)信息雙向流動的穩(wěn)定科學(xué)信息溝通框架。創(chuàng)新技術(shù)的部署或?qū)硇绿魬?zhàn)。所用技術(shù)的廣度與帶有共同負(fù)面含義的詞匯“合成”在一起，已經(jīng)被更通用的術(shù)語“生物工程學(xué)”所采納。事實(shí)上，在推廣來自合成生物學(xué)的消費(fèi)品時所使用的語言通常是“生物學(xué)的衍生”。

隨著合成生物學(xué)不斷發(fā)展，這門學(xué)科需要與公眾進(jìn)行包容性合作。這里有三個部分：描述生物設(shè)備和合成生物學(xué)過程的語言、用于讓不同公眾參與合成生物學(xué)倫理和發(fā)展的語言、與從根本上反對合成生物學(xué)的利益相關(guān)者接觸時使用的語言。過度依賴計(jì)算機(jī)和工程隱喻也許只會在實(shí)踐者和反對者間建立更高的障礙。如果合成生物學(xué)的語言能夠與對立的話語接觸并從中汲取經(jīng)驗(yàn)，那么它更有可能在幾十年內(nèi)維持和持續(xù)發(fā)展這門學(xué)科。

最后，所有這些重大挑戰(zhàn)領(lǐng)域都與繁榮經(jīng)濟(jì)的概念框架緊密聯(lián)系。一方面，合成生物學(xué)的商業(yè)模式和價值主張或?qū)⒁鹗澜绲臉O不公平，資源進(jìn)一步集中在少數(shù)人手中。另一方面，它可以顯著提高全球平等。合作商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一部分和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價值平等分配。以合成生物學(xué)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)改革有可能導(dǎo)致當(dāng)前以傳統(tǒng)模式集中領(lǐng)導(dǎo)和治理的跨國農(nóng)業(yè)公司的分裂。開發(fā)能將廢物轉(zhuǎn)化為可回收物和原料的微生物菌株只是合成生物學(xué)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的案例之一。如果世界各地的小規(guī)模農(nóng)場主都能建造將農(nóng)業(yè)廢物轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品發(fā)酵罐，就可能顛覆傳統(tǒng)的治理模式和商業(yè)模式。然而，國家、法律體系、研究人員和公司對待遺傳信息資源的方式將是決定這條路徑的主要因素。

合成生物學(xué)不僅為解決棘手問題提供了新的思路，而且為各國政府帶來了新的擔(dān)憂。到目前為止，社區(qū)正在積極解決這些問題。展望未來，毫無疑問，負(fù)責(zé)任的創(chuàng)新需要為生物鑄造廠的新的運(yùn)作方式奠定基礎(chǔ)。

4  效益和影響

商業(yè)生物信息平臺在遺傳信息的創(chuàng)造、管理和保管過程中產(chǎn)生了階段性變化。與世界各地人工智能倫理框架的發(fā)展相似，各國也需要考慮開發(fā)合成生物學(xué)倫理框架。

另一個復(fù)雜性是倫理狀態(tài)隨時間的變化。如果全球科學(xué)界或商業(yè)界共同定義一個合成生物學(xué)倫理框架，則它需要適應(yīng)和進(jìn)化的機(jī)制，這與實(shí)施人工智能的公司需要采用何種方式將預(yù)警社會期望變化的機(jī)制聯(lián)系相類似。新興技術(shù)定期審查的倫理框架，要成為規(guī)范企業(yè)開發(fā)和部署、面臨風(fēng)險的產(chǎn)品的準(zhǔn)則。另外，在監(jiān)控和監(jiān)管方面，實(shí)現(xiàn)生物信息的真實(shí)世界時，之前的機(jī)制也可能行不通。

由國際基因合成聯(lián)盟（IGSC）主導(dǎo)的毒素或病原體基因序列的篩選要求便是其中之一。然而，并不是所有合成公司都是該聯(lián)盟的一部分；此外，只能對已知有濫用潛力的基因序列進(jìn)行篩選。需要一系列多層次的安全協(xié)議保證更高的篩查效率。所有合成公司都必須參與并積極推廣此類協(xié)議，秘密共享新發(fā)現(xiàn)的“兩用性”元件。合作將確保所有參與者都能在進(jìn)行開放國際生物鑄造廠交流的同時，對彼此的活動保持信心，包括商業(yè)和研究，避免兩用材料被無意賣給不受約束的買家。

5  基因組編寫計(jì)劃

基因組編寫計(jì)劃（GP Write）于2016年6月正式宣布，是以美國工程生物學(xué)卓越中心為基地，利用了20年來合成生物學(xué)和人工基因合成的工作，進(jìn)行人類細(xì)胞系及其他具有農(nóng)業(yè)和公共健康意義的生物體的整個基因組的工程。未來將要創(chuàng)造的能力以及這個項(xiàng)目的發(fā)現(xiàn)，在很大程度上或?qū)⒂绊懭蚬妼铣缮飳W(xué)的接受程度。

GPwrite項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對此高度重視，他們在2018年會議上就項(xiàng)目的倫理、法律和社會影響（ELSI）進(jìn)行了陳述。律師、倫理學(xué)家、哲學(xué)家、科學(xué)家、政策和生物安全專家在早期階段就參與其中。重要的是，GP-write從合成酵母項(xiàng)目中獲得靈感并借鑒其倫理和管理聲明。這一聲明承認(rèn)自我管理具有重要意義，科學(xué)家所進(jìn)行的研究可以不斷地評估和識別需關(guān)注問題，也可以促進(jìn)機(jī)構(gòu)和政府的相互監(jiān)督。

GP-write致力于將細(xì)胞系中大型基因組工程和測試成本在10年內(nèi)降低1000倍以上。在生物鑄造廠中使用人工智能對實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要。與其他項(xiàng)目相比，GP-write可能需要更多的工作來定義人類生活的解決方案以及可能導(dǎo)致的令人不安的事件，而不是人類模型與其他生命的相似性。尤其是GP-write將對生物鑄造廠中合成生物學(xué)及人工智能與人類基因組信息的相互作用產(chǎn)生很大影響。確定人類基因組有多少解決方案是開放的研究問題，因?yàn)楣こ虒W(xué)是依賴全球倫理標(biāo)準(zhǔn)的社會問題。GP-write的活動及其衍生的技術(shù)可能迫使國家和國際監(jiān)管機(jī)構(gòu)面對社會、倫理和文化等相關(guān)問題。

因此，GP-write必須進(jìn)行國際合作，其長期后果無法與其他探索式科學(xué)和商業(yè)項(xiàng)目相提并論，因?yàn)镚P write可能會潛在劃分為模式人體生物的解決方案和監(jiān)管。在合成生物學(xué)和人工智能環(huán)境下，人類遺傳數(shù)據(jù)的利用及再利用具有重大價值，包括具有健康、生活方式、社會地位等離線和在線數(shù)字的相關(guān)遺傳信息。GP-write的發(fā)現(xiàn)可能上升到用于增強(qiáng)健康和訪問生活方式數(shù)據(jù)的另一層次。

在繁榮經(jīng)濟(jì)、彈性社會、安全星球、健康人群和創(chuàng)新技術(shù)領(lǐng)域，參考對象始終是人。如果GP write的衍生技術(shù)能夠使人類活得更長更健康，對地球上有限資源的相關(guān)性意味著什么？對全球經(jīng)濟(jì)體意味著什么？誰將從這些衍生技術(shù)中獲取經(jīng)濟(jì)利益，它們將如何分配、以何種成本分配給誰？知道如何在生物信息世界中駕馭這些相互競爭的利益，這是GP-write未來需要面對的挑戰(zhàn)。

6  國際合成生物設(shè)施聯(lián)盟

考慮到這些情況，2019年5月成立的國際合成生物設(shè)施聯(lián)盟（Global Biofoundry Alliance，GBA）將成為一個交流信息、制定標(biāo)準(zhǔn)及共同瞄準(zhǔn)重大項(xiàng)目的國際中心。該聯(lián)盟將成為制定和編纂國際準(zhǔn)則的重要推動者。

當(dāng)然，這些準(zhǔn)則包括現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的物質(zhì)轉(zhuǎn)移協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)與模擬天文學(xué)平方公里陣列（SKA）的生物鑄造廠合作。在SKA和GBA中，可以建立分散的實(shí)體基礎(chǔ)設(shè)施，該設(shè)施由跨多個大洲的模塊化部件構(gòu)建，并通過高容量數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)。GBA工作組是在領(lǐng)域內(nèi)制定和協(xié)調(diào)國際標(biāo)準(zhǔn)的先行者，尤其是下一代生物鑄造廠技術(shù)人員的教學(xué)和培訓(xùn)。正是在這個國際合成生物設(shè)施聯(lián)盟的網(wǎng)絡(luò)中，農(nóng)業(yè)工業(yè)時代演變?yōu)樯镄畔r代。它們還將為不可預(yù)見的全球流行病或生物安全事件提供最先進(jìn)的準(zhǔn)備和應(yīng)對措施。

自1975年亞洲會議以來，自我管理一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作。隨著生物信息時代的到來，并面向非技術(shù)性公眾，自我管理的重要性前所未有。在協(xié)調(diào)一致的國際ELSI框架內(nèi)，協(xié)調(diào)一致的解決問題需要成為這個新時代的特征。繁榮經(jīng)濟(jì)、彈性社會、安全星球、健康人群及創(chuàng)新技術(shù)的重大挑戰(zhàn)是沒有邊界的。正因如此，人們更需要考慮，在合成生物學(xué)和人工智能不斷交叉融合的發(fā)展中，生物信息未來分支的可能性。