将垃圾转化为药品、机油、化妆品等
一个由波士顿大学工程师组成的多学科团队正在帮助建造下一代生物反应器，将食物残渣转化为更环保、更清洁的产品
英国工程师Rabia Yazicigil（左起）、Mo Khalil和Douglas Densmore正在合作开发一种更高效的生物反应器。
将垃圾转化为药品、机油、化妆品等
一个由波士顿大学工程师组成的多学科团队正在帮助建造下一代生物反应器，将食物残渣转化为更环保、更清洁的产品
所有精通园艺的园丁都知道，腐烂的水果和蔬菜——被咬烂的苹果核，被丢弃的土豆皮——是一种宝贵的资源。让它们在堆肥器中起泡，它们就会成为花坛和菜园的营养食物。工程师们也知道这一点。腐烂食物产生的营养物质也可以用于生物制造，帮助为生物反应器提供燃料，这些装置可以合成新物质。
与向大气中排放毒素的烟囱不同，生物制造利用自然存在的微生物和过程，比如腐烂的食物残渣产生的微生物和过程，生产从药物和基因疗法到更清洁、更环保的材料、机械油、洗涤剂、燃料、织物、香水甚至食品等各种产品。它有可能彻底改变工业，同时大幅减少碳排放。但特别是在美国，生物制造业需要大幅增长，特别是如果我们要避免供应链中断和安全漏洞的话。
在波士顿大学工程学院，一个跨学科的三名澳门威尼斯人注册网站研究人员正在帮助制造一种更智能、更高效的生物反应器。他们的团队最近获得了施密特期货公司300万美元的资助，这笔资金是与生物工业制造联盟BioMADE合作提供的，也是联邦政府推动更多更好的生物反应器的一部分。波士顿大学的工程师艾哈迈德·哈利勒（“莫”）、拉比亚·亚兹西吉尔和道格拉斯·登斯莫尔正在与卡普拉生物科学公司的专家合作，该公司是一家研发尖端生物反应器技术的初创公司。
卡普拉的生物反应器——被称为连续流动装置——使用生物膜，本质上是一层适合细菌生存的黏液。他们已经用它制造了一种不含石油的护肤霜，并计划将其用于生产发动机和其他机械的生物润滑剂，而不是石化润滑剂。但是，大规模地完善和复制该公司的创新平台将需要自动化、新的质量控制和安全措施，这正是拥有基因工程、电子和自动化背景的波士顿大学团队发挥作用的地方。
“这种学科的融合是惊人的。这是生物技术进步的未来，而波士顿大学无疑处于最前沿，”Capra的联合创始人安德鲁·马扎尔说。“我们希望通过改造生物来帮助我们生产可持续且具有成本竞争力的产品，这样消费者就不必决定，‘我想要可持续的选择还是便宜的选择？’”
波士顿大学的团队已经提出了一系列巧妙的设计方案，使该公司能够将不可预测的食物、粪便和其他废物的混乱转化为可靠的最终结果，并通过漂浮在生物反应器中的微型传感器监控整个过程。他们还制定了一个计划，允许全国范围内的其他澳门威尼斯人注册网站研究人员改编他们的工作，并创建复制的生物反应器，在广泛的领域生产多种改变生活、拯救地球的产品。
改变浪费
哈利勒以机械工程师的身份开始了他的职业生涯，但今天他更出名的是合成生物学的先驱。特别是，他的团队构建了分子“电路”，他们已经将这些见解转化为基因电路工程平台，使人类细胞（如免疫细胞）能够编程，用于新一代细胞疗法，有朝一日可能用于对抗癌症等疾病。
“我们喜欢问一些简单而大胆的问题，‘如果我们建造它会怎么样？和“我们能从这个过程中学到什么？”’”身为生物医学工程工程学教授的哈利勒说。“这种相反的生物学澳门威尼斯人注册网站研究方法迫使人们质疑主流假设，并可能导致令人惊讶的结果。”
同时担任Capra顾问的Khalil是一种名为eVOLVER的小型生物反应器系统的发明者，这是一种可定制的自动化平台，可以远程监控和管理数百个细胞培养——当澳门威尼斯人注册网站研究人员在受控环境中培养细胞时——实时用于各种应用。现在在50多所大学中使用，这个DIY的开源系统具有无限的适应性，允许澳门威尼斯人注册网站研究人员创建定制的微生物实验。
卡普拉的目标之一是开发处理复杂的废物原料的新方法——细菌分解粪便和食物残渣后剩下的材料被放入生物反应器中——但这种材料的一个挑战是其组成的可变性。通过使用eVOLVER进行一系列实验，哈利勒的目标是快速优化这一过程，使不同类型的废物原料生产出一致水平的产品——在这种情况下，从视黄醇（维生素a）开始。
哈利勒也在为这个项目调整他的发明——增加定制部件，以帮助精确控制流体流动和培养条件。“在18个月后，我们希望建成一个完全自动化的生物膜反应器中试工厂，每天可以连续生产超过1公斤的维生素a，”电气和计算机工程副教授Yazicigil说。
监测进展和确保安全
Yazicigil的专长是电子学，但她不仅仅是生物学的涉猎者。她最近的一些工作包括设计一种可消化的胶囊，通过一个微型传感器监测肠道健康，该传感器运行在超低功耗下。她正在利用这项技术生产传感器，这些传感器将漂浮在生物反应器内，测量PH值、氧气、甘油、乳酸和各种有机酸的水平。传感器甚至会评估生物膜的电位。
“传统上，生物反应器是用笨重的仪器或复杂的探针来监测的，这些探针必须插入盖子或侧面的孔中，”Yazicigil说。相比之下，她的微型传感器，仅以毫瓦级的功率运行，将实时无线传输测量结果，使技术人员能够根据需要调整营养物质的流动。
Yazicigil说，她任务的一个关键部分是确保通信安全，她的团队正在与Capra合作，使传感器的安全性成为不可或缺的一部分。
她说：“我们需要防止通信攻击，比如窃听或干扰攻击，这些攻击会影响传感器和集线器之间的通信。”“我必须定制传感器芯片，以适应这种生物反应器技术的系统需求。这是一个令人兴奋的项目。它涉及初创企业、学术界、生物医学、电子和计算机工程。把这些都聚集在一起是很有力量的。”
扩大规模，共享突破
为了真正扩大改良生物反应器的规模，该操作还需要利用由电气和计算机工程工程系教授Densmore领导的BU的设计、自动化、制造和过程（DAMP）实验室。自2007年以来，他一直从事合成生物学澳门威尼斯人注册网站研究，并在开发用于高通量测试的微流体和机器人电极方面拥有专业知识。
高度自动化的潮湿实验室提供加速服务，如DNA克隆，细菌生长和RNA测序，以更快的合成生物学澳门威尼斯人注册网站研究结果。最近，它作为波士顿大学屡获殊荣的临床测试实验室的主要组成部分承担了双重职责，该实验室在大流行期间每天处理多达6000名教职员工和学生的COVID测试。现在，实验室正准备在几台进化者身上同时进行以生物膜为重点的实验。
对Densmore来说，产品不是（至少不只是）视黄醇，而是加工过程本身。通过与BioMADE联盟的其他140名成员分享BU团队的成果、技术报告和方法，Densmore将帮助推广一个可复制的系统，将各种生物基原料转化为各种有用的产品。
Densmore解释说，可复制性是关键。他说，为了应对从癌症到气候变化的全球挑战，“我们需要更多地关注这些问题。要做到这一点，我们需要降低进入门槛，但要安全。因此，我们将制造基础设施集中在一定数量的认证实验室（如BU的实验室）中，并分配计算基础设施。”
首先，BioMADE的澳门威尼斯人注册网站研究人员将远程订购实验，登斯莫尔和他的团队将进行实验。从长远来看，Densmore设想澳门威尼斯人注册网站研究界的广大成员可以下载DAMP实验室的软件，以及使用的硬件列表和组装说明，来建造他们自己的生物反应器。
“这就是我们用计算机使生物学民主化的方式，”他说。就像Densmore说的那样，BU并没有囤积自己的秘密武器，而是在某种意义上特许经营潮湿实验室，在全国范围内标准化设备、软件和流程。但由于波士顿大学的生物反应器解决方案具有无限的适应性，这些复制实验室不会产生相同的澳门威尼斯人注册网站研究和产品。其他澳门威尼斯人注册网站研究人员将运用他们的创造力，提出自己的解决方案。
再用一个食物的比喻，他指出，大多数人不自己烤面包，因为这根本不是对时间的有效利用。但在生物学领域，太多的时间都花在了自动化和标准化更好的任务上，让澳门威尼斯人注册网站研究人员可以自由地运用他们的大脑。
“务实地说，这是推动科学和社会发展的唯一途径，”登斯莫尔说。“现在，生物学正在烤很多面包。”通过让波士顿大学的包装切片面包在任何地方都能买到，“我想说的是，‘让我们开始做一些很酷的三明治吧。’”
本文的一个版本最初出现在《工程师》杂志上。
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