天津工業(yè)生物所和亞馬遜云科技聯(lián)合推動合成生物學(xué)發(fā)展

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱“天津工業(yè)生物所”）與亞馬遜云科技聯(lián)合舉辦了“生物計算設(shè)計”溝通會，就如何利用BT+IT結(jié)合助力合成生物學(xué)發(fā)展進(jìn)行了交流和探討。

作為中國合成生物學(xué)領(lǐng)域的核心力量，天津工業(yè)生物所由中國科學(xué)院和天津市人民政府共建，承擔(dān)了多項合成生物學(xué)、綠色生物制造等重點研發(fā)任務(wù)。2019年，天津工業(yè)生物所成立了生物設(shè)計中心平臺實驗室，并與亞馬遜云科技共同探索生物技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)體系（BT+IT），以推動合成生物學(xué)的發(fā)展，并為健康、能源、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域的重大突破提供技術(shù)支撐。該中心已推出了20多項生物計算設(shè)計工具和軟件應(yīng)用，其中包括全球首個基于圖數(shù)據(jù)庫的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識圖譜ERMer和全流程高通量編輯序列設(shè)計云平臺AutoESD等。采用云原生的開發(fā)方式，大幅縮短了開發(fā)時間，降低了總體運行成本，使團(tuán)隊能夠?qū)Ｗ⒂跇I(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新。

圖數(shù)據(jù)庫有助于構(gòu)建專業(yè)的大腸桿菌調(diào)控代謝知識圖譜，提高科研效率

細(xì)胞中的代謝調(diào)控非常復(fù)雜，一個特定的細(xì)胞功能往往由一系列不同類型的代謝途徑相互作用決定。這些不同類型的調(diào)控數(shù)據(jù)通常分布在各個不同的數(shù)據(jù)庫中，使得生物學(xué)家很難僅關(guān)注與所研究的代謝物/蛋白質(zhì)密切相關(guān)的一兩類相互作用來識別這種復(fù)雜的調(diào)控級聯(lián)關(guān)系。因此，將這些不同類型的調(diào)控相互作用集中在一起，并提供方便的交互方式，將極大地方便生物學(xué)家挖掘和理解生物體內(nèi)的復(fù)雜調(diào)控關(guān)系。天津工業(yè)生物所的生物設(shè)計中心團(tuán)隊聯(lián)合亞馬遜云科技團(tuán)隊在計算生物學(xué)國際期刊《Nucleic Acids Research》上發(fā)表了一篇文章，發(fā)布了全球首個基于圖數(shù)據(jù)庫Amazon Neptune的大腸桿菌調(diào)控代謝關(guān)系知識圖譜ERMer，并首次提供了全局的代謝調(diào)控圖譜。ERMer采用專門為高度關(guān)聯(lián)的復(fù)雜數(shù)據(jù)集的高效存儲和查詢設(shè)計圖數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，打破了傳統(tǒng)的低效數(shù)據(jù)檢索方式，實現(xiàn)了用戶和圖譜的高效交互，大大降低了使用門檻。此外，為充分發(fā)揮知識圖譜的價值，生物設(shè)計中心團(tuán)隊還采用基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行推理，成功實現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄因子預(yù)測和轉(zhuǎn)錄因子靶點預(yù)測等功能，這將有助于挖掘潛在的關(guān)鍵調(diào)控因子和調(diào)控靶點，構(gòu)建新的調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)，為研究人員提供了新的思路和方向。該研究成果的推出，有望為合成生物學(xué)的發(fā)展注入新的活力，推動其在各領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化是合成生物學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)，可以實現(xiàn)更高的自動化和高通量研究能力。在這個過程中，對實驗流程的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化也是不可或缺的一環(huán)。天津工業(yè)生物所生物設(shè)計中心團(tuán)隊開發(fā)了全球第一個可以在所有操作類型、任何基因組位點和跨物種上進(jìn)行精確、自動化和高通量編輯序列設(shè)計的云平臺AutoESD，其開發(fā)采用基于云端的無服務(wù)器架構(gòu)，保證了高可靠性、穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性。該平臺可以并行處理包含上千個編輯序列設(shè)計目標(biāo)的數(shù)百個設(shè)計任務(wù)，采用可視化的工作流管理實現(xiàn)了編輯序列設(shè)計工作流的串聯(lián)，從而實現(xiàn)應(yīng)用的快速構(gòu)建和更新，并且能夠快速查詢和處理異常任務(wù)。該平臺采用了Serverless服務(wù)，幫助天津工業(yè)生物所團(tuán)隊進(jìn)一步簡化運維，使得開發(fā)人員可以更加專注于業(yè)務(wù)代碼和創(chuàng)新。與傳統(tǒng)開發(fā)方式相比，該平臺的開發(fā)時間縮短了75%，總體擁有成本降低高達(dá)50%。

天津工業(yè)生物所團(tuán)隊希望基于亞馬遜云科技的先進(jìn)服務(wù)技術(shù)和能力，開展更多BT+IT的研發(fā)工作，進(jìn)一步助力研究所在合成生物領(lǐng)域的科研探索，并提升其國際影響力。亞馬遜云科技中國區(qū)商用與公共市場事業(yè)部總經(jīng)理李曉芒表示，亞馬遜云科技為全球數(shù)千家生命科學(xué)領(lǐng)域客戶提供云服務(wù)和行業(yè)解決方案，助力生命科學(xué)數(shù)字化創(chuàng)新，其與天津工業(yè)生物所一道通過云技術(shù)和深厚的行業(yè)實踐推動合成生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，開拓生物制造產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新路徑。天津工業(yè)生物所生物設(shè)計中心主任馬紅武表示，亞馬遜云科技提供的圖數(shù)據(jù)庫和Serverless服務(wù)，突破傳統(tǒng)的開發(fā)模式，提升研發(fā)效率，不斷優(yōu)化云上成本，生物技術(shù)和信息技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)體系將進(jìn)一步推動合成生物領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。