Ginkgo Biowork – 物種公司:想像未來生物化之產業體系

Important things are going to happen. Synthetic biology could be increasingly important in environmental clean-up strategies. It could also have a place in planet colonization. If it happens, then planet colonization will be reliant on synthetic biology. The words ‘insurmountable opportunities’ come to mind. Asking that question is like asking Bardeen in 1948 after developing the transistor to ‘please predict iPhones’. You can’t predict it. You can make guesses about what’s important today but we don’t have a clue for the future .

Quote from Tom Knight

Ginkgo Biowork是一間在合成生物學商業領域很特別的公司,常被稱為波士頓生技獨角獸,這邊是閱讀Ginkgo Biowork : The Organism Company 這邊文章所摘錄的心得,這篇文章是由Elliot Hershberg所撰寫,發表在Not Boring上面,Not Boring是一間每週寄兩封電子信,分享關於Web3和商業內容,很驚訝他們也會分享如合成生物學領域的資訊,另外,這篇文章也提到一Ginkgo Bioworks很神奇的角度和領域。

這篇文章一開頭有介紹什麼是合成生物學,以及Ginkgo Biowork的過去歷史,跟iGEM的關聯,以及創始人的故事,但其中比較有趣的是關於他的治理架構,如同開頭講的Ginkgo Biowork其實是一間技術平台公司,專注在提供“特用基改的物種”,針對各式各樣的領域新創公司來進行合作,幫他們解決或是改進他們公司核心所需的合成生物學菌種。

Jason Kelly是Ginkgo Biowork的創辦人之一,之前曾經在Drew Endy的實驗室,在那時候閱讀了Drew Endy給予他的一篇文章Beyond Capitalism: Leland Stanford’s Forgotten Vision. 這篇文章是史丹佛先生在創辦史丹佛大學時的想法,描述一個組織協作型態,充分讓參與者對於組織細節有影響力,這部分也在Ginkgo Biowork中實踐,它們賦予員工特殊的股權,這個股權是具有公司投票權的,讓員工有決定董事會的權力,但員工一旦把股票賣掉,或是離職,這個股票就會轉成一般市場流通的股票,不具有影響公司決策的投票,這賦予員工同一條船的效果,不過前提是員工都必須特別挑選,符合他想要創造的公司文化。

閱讀參考:

Ginkgo Bioworks: The Organism Company https://www.notboring.co/p/ginkgo-bioworks-the-organism-company?s=w

A global forum on synthetic biology: the need for international engagement

London Calling 2022:第三代定序Oxford nanopore年度盛會

基因定序技術的演進速度飛快,從這十年間暢談的次世代定序到三代定序,幾乎都在這十年中依序成熟,次世代定序是以短片段高通量定序為主,大部分每個片段長度介於150bp上下,而所謂三代定序則是可以達到每個讀長上萬以上,這個算是非常巨大的差異,其中市場上最大的兩個三代定序業者,一間是PacBio,另一間則是Oxford nanopore

Oxford nanopore的經營模式有別於以往的基因定序機台產銷模式,改以社區、開源、扁平的方式在建立整個商業系統,所以他們提供直接網購的服務,網站明碼標價,這樣的經營模式非常新穎,以次世代定序的巨頭Illumina為例,以往被人詬病的就是這部分的不透明和不開放。只要註冊Oxford nanopore community的客戶,便能參與他的社群活動以及學習資源,甚至許多新產品的使用,也會以社區裡的成員為優先對象。

每年Oxford nanopore都會舉辦一場在總部London的會議,會議中會去介紹最新發展,這會議叫做London Calling,今年2022 London Calling,在五月中舉辦,實體和線上並行,對於暫時無法出國的人來說,是非常棒的,可以直接參與線上演講活動。

這場會議中,會邀請這一年有利用oxford nanoporepore的學者分享他們的經驗,也會邀請領域專家來給一些比較廣泛的主題,另外,最核心的一場演講是Update from Oxford Nanopore Technologies,由Oxford nanopore公司技術長Clive Brown 主持,其中各部門主管會來分享部門近況和更新,算是想要理解目前Oxford nanopore最新的發展,可以只聽這一場。這邊分享一下今年的一些蠻不錯的內容,可以感受到這個技術線的可擴展性,非常令人振奮!

  • 本次發佈會的精彩內容
    • 新機型的開發進度,儀器晶片之設計調整
    • 奈米孔洞之生物化學方面調整
    • 新晶片和試劑調整後之表現差異
    • 各產品線之進市場週期
    • 未來可能性

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重灌更新Pop!_OS:miniconda, R, Rstudio

最近因為專案的關係,不得不重新安裝一些新的R和命令行軟體包,終於拖到不能再拖的Pop!_OS(20.0 => 22.04)更新就要發生了,往好的一面想,每次重新灌系統都是一個斷捨離的重新開始,同時仔細思考自己工作實際需要的東西,這邊把過程的坑稍微紀錄一下,最主要是System76筆電假如有做硬體加密和外掛硬碟的話,使用Disk Live更新會有點狀況,另外,裝好的Pop!_OS系統,在安裝Rstudio時會發生一些狀況,因為新版的Pop!_OS所安裝的openssl、libssl是較新版本的,而新版本的Rstudio還會需要調用較舊版本的,因此會造成安裝失敗,openssl、libssl都是底層OS系統用來通訊的工具,Rstudio在安裝一些軟體時候,就會掉用這些工具來向外通訊,單獨下載openssl和libssl來安裝時,會造成這類軟體會被隔離(sandbox模式),所以當Rstudio安裝時候,內建也會開啟sandbox模式,所以一打開會畫面全無,必須要讓其關掉no-sandbox,這塊可能等Rstudio之後的版本會解決,看來過一陣子也是要在陣痛一次。

  • 備份
  • 準備Pop!_OS安裝USB
  • 用Pop!_OS原生的應用程式安裝基本款軟體
  • 用命令行安裝R和Miniconda
  • 補完Rstudio安裝檔deb所需的軟體包
  • 安裝Rstudio的deb檔
  • 設定命令行和桌面開啟流程,不以sandbox模式開啟

Linux筆電:System76和他們發行的Pop!_OS

Linux筆電商

Linux系統是生物資訊或是開源軟體的天堂重鎮,很多分析軟體都原生於Linux系統,Linux系統本質上已經是三十年歷史發展的操作系統,從其中開枝落葉的發行版本非常多,另外,其實Linux系統原生的筆電並沒有那麼多,目前大概是Windows和Mac兩大體系為主,Mac操作系統本質上跟Linux是相合的,同屬Unix的後代,所以在命令行環境下的指令大多是共通,但Mac硬體的價錢實在是有點貴,所以兩年前多開始搜尋性價比比較可以接受的硬體,後來變發現System76,一個專做Linux硬體設備商,大概可以用1/3價格取得跟MAC同等規格的筆電,且客製化程度蠻高的,送到台灣是沒有問題的。

Pop!_OS的隨身碟重灌: Disk Live 搭配ISO

整個流程比想像中順利,從下載網頁挑選想要的iso版本後,可以直接使用Pop!_OS的Disk工具,他蠻方便的,可以直接將你剛下載好的iso燒到USB裡面,記得確保你的USB檔案已經備份,大小大概3Gb多,還原好後就可以重新開機來利用USB開機。

假如使用System76的話,重新開機後,可以按ESc,就可以進入特殊的選單來進行安裝。

從Pop!_Shop安裝:Tilix, Visual Code Studio, Obsidian

安裝好後,本身Pop!_OS就有一些蠻好用的工具,比如他本身就有一些原生GUI的應用程式商店可以用來安裝下載一些常用開源軟體,比如Tilix、Visual Code Studio和Obsidian,都在Pop!_OS應用程式商店中可以點選安裝。

安裝Miniconda管理NGS相關的命令行工具

本質上來說,Pop!_OS是源自Ubuntu的版本,所以有些底層工具是共通的,比如你可以使用apt-get install來安裝工具,比如vim之類的,另外,許多生物資訊工具目前都會使用Anaconda系統來做封包管理,而比較喜歡輕版本的話,則可以安裝Miniconda版本,方式也很單純,直接針對適合的Python版本來下載,下載後,直接:

bash Miniconda3-latest-Linux-x86_64.sh

接者便可以開始設定bioconda的頻道,這樣就可以直接用conda來下載跟生物資訊相關的命令行工具

conda config --add channels defaults
conda config --add channels bioconda
conda config --add channels conda-forge

像是samtools、bwa、minimap2、seqkit、fastqc、bedtools、vcftools、gatk等等都可以使用conda來管理,非常方便。

設定R和Rstudio

在設定R和Rstudio就比較麻煩一點,後來發現Rstudio底層運行的一些程式庫,在最新版的Pop!_OS中,無法調用,就變成要手動的安裝。

sudo apt-get update
sudo apt-get install r-base
sudo apt-get install gdebi-core

這樣就完成R程式的安裝,順便安裝gdebi,一個可以用來deb安裝的軟體,接者便是從Rstudio官網來下載你要的版本,我下載完後,基本上就會有一個檔案:rstudio-2022.02.0-443-amd64.deb,可以使用

sudo apt install -f ./rstudio-2022.02.0-443-amd64.deb

安裝開始後,便發生錯誤,他發現無法抓取到libssl1.0.2, libssl1.1的軟體,後來發現必須要手動下載


Reading package lists... Done<br>Building dependency tree... Done<br>Reading state information... Done<br>Note, selecting 'rstudio' instead of './rstudio-2022.02.0-443-amd64.deb'<br>Some packages could not be installed. This may mean that you have<br>requested an impossible situation or if you are using the unstable<br>distribution that some required packages have not yet been created<br>or been moved out of Incoming.<br>The following information may help to resolve the situation:<

The following packages have unmet dependencies:<br> rstudio : Depends: libssl1.0.0 but it is not installable or<br>                    libssl1.0.2 but it is not installable or<br>                    libssl1.1 but it is not installable<br>E: Unable to correct problems, you have held broken packages.

所以先直接到debia的官訪軟體庫,便能直接下載,主要是參考下面這篇來解決這類問題。Ubuntu的下載網址為http://security.ubuntu.com/ubuntu/pool/main/o/openssl1.0/https://packages.debian.org/stretch/amd64/libssl1.0.2/download

下載後,先安裝,安裝後就可以成功的來建置rstudio的軟體。打開後,還發生Rstudio的畫面呈現空白,後來發現必須要使用特殊參數,像是

rstudio --no-sandbox # solve problem
##change: .bashrc
##add "export RSTUDIO_CHROMIUM_ARGUMENTS="--no-sandbox"

##change: /usr/share/applications/rstudio.destop
##==>
#Exec=/usr/lib/rstudio/bin/rstudio %F
##Exec=bash -c "/usr/lib/rstudio/bin/rstudio %f --no-sandbox"

自造系列-實驗室中的 3D 列印機:不僅僅是玩具

前陣子趁老爸退休前,幫他買了台3D列印機,希望可以讓他退休後,能展開更自由且有趣的生活,因為建模本身就是老爸拿手的技能,他之前的工作就是設計航空飛行器,同時也希望他體驗一下這十年來,自造行業的進步以及成本的下降,最近看到三篇有趣的文章,想說跟老爸分享:

General Design Procedure for Free and Open-Source Hardware for Scientific Equipment. 2018. Designs

A 3D Printer in the lab: Not only a toy, Vittorio Saggiomo

A Scientist’s Guide to Buying a 3D Printer: How to Choose the Right Printer for Your Laboratory

其實老爸拿到3D列印機後,便開始幫忙家裡很多零件的改造,也覺得以老爸的文筆可以好好結交世界的網友,這邊在老爸部落格建立前,先幫忙分享,此篇就是老爸閱讀由芬蘭瓦赫寧恩大學 (Wageningen University & Research)的學者Vittorio Saggiomo撰寫之文章A 3D Printer in the lab: Not only a toy,閱讀後的中文轉換,這篇文章也是在Twitter上所發現的。

實驗室中的 3D 列印機:不僅僅是玩具

“我們為什麼要購買 3D 列印機?

不幸的是,很多學生在要求為實驗室購買 3D 列印機時仍然從教授那裡得到這個問題

儘管 3D 列印機在家庭中變得越來越普遍,但它們在許多實驗室中的代表性仍然不足,在世界範圍內被視為玩具而不是實驗室設備。這篇簡短的評論想要改變這個保守的觀點看法。 如果你是一個得到“為什麼”的學生 問題,發送給你的教授的這個小評論。 如果你是 PI(Principal Investigator),尚未決定實驗室是否需要購買 3D 列印機,請務必閱讀這篇小評論,或者,如果你沒有時間閱讀,就買一台吧!將來你會感謝我的。

這篇小評論的重點是熔融沈積建模(FDM) 列印機以及獲得第一台3D列印機後會發生什麼事。簡而言之,這些列印機將塑料絲熔化並沉積逐層創建最終產品。 他們越來越更便宜,更容易使用,現在不難找到低於 500€歐元 的優質 3D 列印機。 以這樣的價格,即使不是最多功能的設備你應在實驗室裡裝一台3D 列印機。所以,你買了你的第一台 3D 列印機,組裝了它,現在它在實驗室裡。[1] 下一步是什麼?擁有一台 3D 列印機作為科學技術儀器有四個階段

:印刷、設計、材料和自動化。在以下段落中,我將詳細說明每個階段

(圖1)

Fig. 1. This mini-review focuses on the four phases of owning an FDM 3D printer: printing, designing, materials, and automation.

圖 1. 這篇小評論側重於擁有 FDM 3D 列印機的四個階段:列印、設計、材料和自動化。

第一步:進行列印

在最初的幾週內,幾乎可以肯定的是,列印機將用於列印大量玩具、小雕像和隨機物品。 這是一個正常的學習過程。 在此期間,用戶將了解 3D 列印機的工作原理及其詞典、切片 3D 設計、懸垂、橋接、邊緣、裙邊、填充幾何形狀、列印速度和溫度、回縮設置、如何列印不同材料等等。 這是一個必不可少的學習過程; 會有很多失敗,每一個都是寶貴的學習點。

圖 2. 3D 列印設計示例: a) 用於各種實驗室器具的模塊化支架:NMR 管、比色皿、獵鷹管,可從 [15] 下載。 b) 化學模型也可以從 [4] 下載和列印。 c) X 射線結構 [10]d) NMR 2D 光譜也可以轉換為 3D 可列印模型。 [11]

一旦隨機繪畫完成並且用戶熟悉了 3D 列印過程,此階段的第二階段是開始為實驗室列印有價值的物品(圖 2)。

在這裡,可能性是無止盡的。 最有可能的是,任何實驗室 3D 列印的第一個有用的東西是用於實驗室中每個小瓶、試管和比色皿的支架。[2,3] 有很多設計,從 NMR 支架到磁性 Eppendorf 支架 用於磁分離,可從 Thingiverse、Printables 或 NIH 3D 列印存儲庫等存儲庫在線免費獲取。 如果您需要某物的支架,它可能已經由其他人設計,並且可以下載和列印(圖 2a)。 即使您在此處停止閱讀,並且您的列印機僅用於列印支架,考慮到樣品支架的成本,您將在幾個月內獲得投資回報。

但是,一旦您將沈迷於3D 列印中,您會想要更多。 此時掃描文獻將返回大量可 3D 列印的對象:分子模型、[4,5,6] 晶體結構,這些都是有價值的教學模型,並為學生提供化學結構的物理模型等(圖 2b) . 例如,有關於如何將晶體學數據轉換為 3D 可列印模型的說明(圖 2c)[7-10] 甚至如何將 NMR 光譜轉換為 3D 列印(圖 2d)。 [11,12] 3D 列印和 NMR 不要在這裡結束:您可以列印用於固態 NMR [13] 甚至整個 NMR 磁體的樣品管。 [14] 修復破損的塑料實驗室物品也變得非常容易,許多移液器支架或移液器部件、連接器和桌面組織器都可以從存儲庫免費下載。

在這部分聽到最多的批評是,與商業實驗室塑料部件相比,3D 列印材料對有機溶劑不穩定。 別弄錯我的意思; 這是一個有效的批評,而且絕對正確。 最常見的 3D 列印塑料聚乳酸 (PLA) 和聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PETG) 可溶於氯化溶劑。 同時,Acronytrile Butadiene Styrene (ABS) 可溶於丙酮,這會使這些材料不適合實驗室環境。 然而,我認為這些材料是防濺的。 如果一滴溶劑接觸它們,它們不會神奇地消失。 如果您反復用氯化溶劑淹沒您的通風櫃,我建議您重新審視實驗室處理化學品的安全程序,而不是購買耐化學品支架。 這歸結為改寫一句古老的孫子名言:“知道你的 3D 列印機,知道你的材料,你永遠不會被打敗”。

第二階段:設計

在某個時刻,您會意識到您需要的部件無法在線獲得,您的實驗室將進入擁有 3D 列印機的第二階段:設計。

對於科學家來說,至少擁有 3D 設計的基本知識,我怎麼強調都不為過,這不僅對於 3D 列印,而且對於為論文和演示文稿製作有吸引力的圖形也是如此。 學習 3D 設計可能看起來是一項艱鉅且不可能完成的任務,但相信我,這並不難,至少對於簡單的設計而言。 如果你能在紙上畫草圖,你就可以在電腦上設計它。

通過設計模型,您可以釋放 3D 列印的全部潛力。 現在,您可以生產非商業化的零件,它們非常適合您的應用或實驗室,或者是那裡其他儀器的替換或增強零件。 這就是快速原型製作的真正力量; 您可以在不到一天的時間內設計、列印、測試和重新設計一個對象,而無需從專門的在線服務訂購部件——這需要數週時間。 從頭開始創建一些東西並在幾個小時後掌握它是一種令人難以置信的體驗。

兩個科學領域極大地受益於 3D 列印的出現和直接在實驗室中進行快速原型製作的可能性:微流體[16,17] 和顯微鏡[18]

圖 3. 3D 設計模型示例。 a) 一套微流體裝置和可使用各種塑料材料列印的連接器。 [27] b) 製造方法使用 3D 列印可溶解材料的 PDMS 微流體裝置。 [28] c) Openflex ure 顯微鏡,一種完全可 3D 列印的顯微鏡。 [32] d) 3D 列印的橫截面用於化學反應的實驗室器具。 [39] 一個解決方案被移動到不同的立方體中旋轉結構; 橙色和黃色兩種不同的催化劑直接 3D印在結構上

在 3D 列印出現之前,製造微流控設備是一項繁瑣的任務:其步驟包括使用軟光刻技術製作母版、成型和脫模 PDMS(聚二甲基矽氧烷)、多層微流控設備的對齊以及 PDMS 與玻璃的最終等離子鍵合。如果微流體未按預期工作,則該過程將重複多次以微調微流體參數。這個過程隨著 3D 列印發生了巨大的變化,各種設計可以在幾個小時內完成並列印出來,從而加快了研究速度並降低了原型製作成本。一種方法是在 3D 可列印塑料中設計和列印整個微流體裝置。[19-22] 列印單個塑料塊而不是混合 PDMS/玻璃裝置會大大增加其耐壓性。[23]此外,在列印過程中可以暫停列印過程,以在列印對象內添加其他對象,從而為設備添加新功能,[24] 這一過程在標準微流體製造中通常是不可能的。例如,該過程已被用於在 3D 列印微流體設備中直接添加 PMMA 觀察窗口 [25] 甚至電化學檢測器。 [26]還有一個用於微流體的 3D 列印模型的開源存儲庫,不僅包括設備本身,還包括所有連接和 Luer 適配器(圖 3a)。 [27]

使用 3D 列印機製造微流控設備的另一種選擇是利用一些 3D 列印塑料的溶解度來發揮我們的優勢。 2015年,我們團隊列印ABS並將其嵌入到PDMS中。 當將此 PDMS/ABS 塊置於丙酮中時,ABS 會溶解,在 PDMS 內部留下一個開放通道(圖 3b)。 [28] 該方法可以製作單塊 PDMS 微流控設備,這是微流控領域的標準且特性非常好的材料,僅使用標準 3D 列印機和 3D 列印材料即可,無需昂貴或難以使用的儀器。 該方法已應用於水溶性材料,[29] 或用於製造互連的 PDMS/玻璃微流體塊。 [30] 3D 列印也被用於製造紙質微流體,使用 3D 列印材料作為濾紙上液體的屏障。 [31]

另一個從 3D 列印中受益匪淺的領域是顯微鏡。快速且廉價地製作顯微鏡零件原型的可能性使該領域民主化,並開啟了製造全 3D 列印顯微鏡的可能性。最常見的 3D 列印顯微鏡可能是 OpenFlexure(圖 3c)。 [32]它使用 3D 列印平台來實現幾微米的穩定運動。在這種彎曲的基礎上,可以 3D 列印亞 100nm 光纖對準台。 [33]如果您認為舞台是一塊 3D 列印的塑料,這令人印象深刻。 3D 列印機的使用也為自製顯微鏡的製造打開了大門,其中各種 3D 列印光學塊可以組合在一起用於不同的顯微鏡設置。 µCube[34] 是這種方法的第一個例子,後來 UC2(你也看到了)改進了這個過程,消除了對塊的繁瑣對齊的需要。 [35]只需在這些設置上重新調整立方體即可在幾分鐘內將明場顯微鏡轉變為熒光顯微鏡。此外,3D 列印還被用於製造單分子顯微鏡:miCube。 [36]可以在此處找到開放式顯微鏡數據庫 [37]

如果我告訴你,你甚至可以設計你的化學反應器呢? 這已被克羅寧的團隊多次證明。 在列印過程中添加化學品和外部組件(如過濾器或矽膠)的可能性允許用戶在幾個小時內完成整個合成和純化設置。 3D 列印的多功能性以及在 3D 列印物體中插入外部組件的可能性允許精確且可重複的合成和純化步驟。 Cronin 的小組通過列印具有不同功能的立方體證明了這一點,並且通過簡單地轉動 3D 列印物體將溶液從一個塊移動到另一個塊來執行單個合成和純化步驟(圖 3d)。[38-40] 該小組還 事實證明,使用聚丙烯 (PP) 作為 3D 列印材料,可以使容器在高溫和高壓下保持穩定。 [41]

3D 列印還用於分析化學,這是另一個廣泛使用 3D 列印多功能性來設計和列印分離裝置、流動池、混合器、濃縮器等的領域。 [42-45]

如果您打算將材料用於您感興趣的解決方案,請注意有關材料的警告。市售的 3D 列印材料很少或從來不是純聚合物。 PLA、PETG、PP等,不是100%純;它們總是含有一些共聚物、添加劑,在有色材料的情況下,還含有某種顏料。 3D 列印材料的配方使其易於列印,並且具有機械性能,而不是純度。即使是來自同一供應商的相同材料,批次之間的化學成分也可能不同。不要假設這些材料是純聚合物,如果您打算將它們與您感興趣的溶液接觸,例如用於合成或分析目的,請務必提前測試材料。這可以通過溶解材料並記錄 NMR 來完成,或者更快地將 3D 列印材料放入您計劃使用的溶劑中,讓它在那裡放置幾天,然後記錄溶液的 UVVis 光譜,尋找可能的分子洩漏。兩者都是快速的方法,至少可以為您提供成分的指示以及在實驗過程中從材料中洩漏的可能性。

同樣在這個階段,你會聽到一個經典的批評:“3D 設計太難了”。我相信你在學習過程中遇到過微積分、熱力學和量子力學,並從中倖存下來。與這些主題相比,3D 設計是在公園裡散步。如今,有很多易於使用的 3D 設計軟件,最簡單的是 Tinkercad,一種免費的在線(獨立於平台)設計。在 10 分鐘關於如何使用它的 YouTube 教程之後,我可以向您保證,您將能夠在幾分鐘內製作出您的第一個 3D 設計。對於更複雜的設計,最常用的軟件是 Solidworks、Fusion 360 和 Blender。前兩個是商業的,而第三個是開放軟件。它們使用起來更複雜,需要更多的培訓,但沒有什麼是不可能學習的。如果您喜歡編程,另一種選擇是 OpenSCAD,它使用類似編程的結構和語法來設計 3D 模型。 Shapr3D 是最新的軟件,最初是為 iPad+Stylus 設計的,但現在可用於 Mac 和 PC,它對學術界免費且使用非常直觀。再一次,3D 設計不僅對於 3D 列印,而且對於製作有吸引力的科學方案和圖形也是一項有用的技能。

第三階段:材料

您已經掌握了 3D 列印並正在習慣 3D 設計。 下一步是什麼? 顯然:製作自己的材料。在 FDM 中,這意味著將塑料溶解在適當的溶劑中,添加感興趣的外部材料,蒸發溶劑,撕碎塑料複合材料,然後將其擠出至使用諸如 FelFil Evo、Filabot、3Devo 等商用長絲擠出機或通過構建您的擁有自己的長絲擠出機,例如 Lyman Extruder V5。 這個過程並不容易,市售的燈絲擠出機比 3D 列印機貴,因為較小的細分市場。 但是,您可以製作自己的複合材料或多重材料,並且列印成任何你想要的形狀,這在十年前是不可能的想像。 [46-48]

但您為什麼要製作用於 3D 列印的複合材料? 利用這一過程的主要領域之一是製藥領域,使用特定的配方 [49-52] 和 3D 列印個性化片劑和定制的藥物釋放曲線(圖 4a)。 [53-55] 也已經完成了研究 檢查復合藥用長絲的可印刷性。 [56] 在醫學領域,正在開發的複合 3D 可列印材料主要用於抗菌和醫療級材料,用於鑄件、假肢和可包覆器官的物體[57-62]

圖 4. 不同材料的示例以及 3D 列印在製藥中的影響,其中可以隨意改變藥丸的結構以改變其溶解度時間(一)。 類似的方法可用於 3D 列印催化劑,其中結構可以改變以具有或多或少的表面積和存在的催化劑 (b)。一種可以模仿 Lycurgus 杯的納米複合材料,顯示出兩種不同的反射(綠色)和透射(紅色)中的顏色(c)。 [100]

在 3D 列印燈絲中插入外部化學物質的可能性使我們能夠列印增強對象。 這可以通過機械性能來實現,例如,通過使用天然填料,甚至大麻,[63] 來修改列印對象的機械性能。 [64] 金屬、[65] 木材、[66] 和石墨[67] 也已被用於改變 3D 列印物體的機械性能。 但是,對於機械性能而言,這種方法最極端的情況可能是在擠出過程中嵌入連續纖維。 [68] 在這種情況下,連續纖維被插入並驅動到噴嘴內,同時它沉積熔融塑料,從而將連續線嵌入每條沉積的塑料線中,從而大大提高最終 3D 列印部件的機械強度

通過在燈絲中嵌入導電金屬或碳基納米材料,3D 列印部件可以導電。 [69] 例如,這可用於製造電磁設備、[70](電化學)傳感器、[71-74] 電路、[75,76] 電化學電池、[77,78] 甚至電池。 [79] 

設計和列印不同形狀的可能性也有助於改變 3D 列印物體的縱橫比,或列印具有高表面積的物體,用於分析分離、膜和分子捕獲。 例如,這種方法已被證明在海水淡化和(廢水)水處理[80-83] 以及使用嵌入 3D 列印材料中的 MOF 進行氣體捕獲方面卓有成效。 [84]

另一個充分利用 3D 列印的領域是催化作用(圖 4b)。[85-90] 在這種情況下,3D 列印機不僅可以用於製造(流動)反應器、混合器,[91,92] 多 材料部件,[93] 等,還可以將催化劑直接嵌入 3D 列印材料中。 [94-97]

FDM 3D 列印也被用於光學製造漫反射光學 [96,97] 和光學面板 [98]。 我們小組還首次將二向色性納米粒子納入塑料細絲中,用於列印二向色性物體,在這種情況下具有像 Lycurgus 杯一樣的光學效果(圖 4c)。 [99,100]

本段只是對製作您自己的 3D 列印複合材料的多種可能性的簡短介紹,並不意味著詳盡無遺,因為複合 3D 列印材料還有其他領域會大放異彩。 然而,我認為有必要展示至少一些機會,這些機會不僅來自於設計具有特定特徵的對象,例如具有高表面積或混合能力,而且來自於將它們與獨特的、應用程序驅動的、複合材料相結合。 實驗室製作的材料

這裡有一點警告是關於 FDM 列印方法的。 由於燈絲需要熔化才能沉積在 3D 列印床上,因此根據材料,在 3D 列印機熱端將其加熱到 180°C 以上。 這也意味著您添加到塑料中的每種化合物和材料也會經受高溫,即使時間很短。 這種高溫可能是有害的,尤其是對有機分子,列印這些複合材料時應該考慮到這一點。 一種監測列印過程中有機分子降解的方法是在 3D 列印過程後溶解材料,並使用 NMR、MS 和 UV-Vis 重新表徵有機化合物。

如果您想製作複合材料並在不列印的情況下列印 經受高溫,您可能需要研究直接墨水書寫 (DIW) 3D 列印。 這種3D列印方法使用注射器以逐層方式沉積糊劑,類似於 FDM。立體光刻 (SLA) 3D 列印機,有時稱為“樹脂”列印機,也被視為非高溫列印機。 然而,這是誤導性的,因為甲基丙烯酸酯光聚合反應是放熱的,並且局部容易達到超過 100°C。

階段4:自動化

3D 列印機是 3 軸機器人,帶有一個額外的電機來推動燈絲通過噴嘴,由於消費市場,它們一天比一天便宜,而且有可能不到 200 攝氏度的價格購買 3D 列印機。如果您考慮它,這些是市場上最實惠的三軸機器人。

舉個極端的例子,如果你買了一台 3D 列印機,用它不是用來列印,而是用來來回移動列印床使用試管、液體細胞培養物等,它更便宜比您可以購買的任何振動器/搖桿。 3D的組成部分列印機可分為機械部分和電氣部分組件。所有的 3D 列印機都有三個線性運動系統。這些可以是皮帶、導軌或絲槓,具體取決於該模型。它們至少有四個步進電機、兩個加熱元件、兩個控制溫度的熱敏電阻、三個觸摸開關(終點站),大量的螺釘、螺母、螺栓和組裝它們的所有必要工具。在電子部分,他們有一個主板、一個電源單元和所有的用於將主板連接到其他組件的電纜。 3D列印消費市場增長如此之快,如果您嘗試購買所有單個零件比購買 3D 列印機。

如果我們沒有辦法,所有這些好東西都將毫無用處編程和控制“機器人”的運動。 這個可以通過直接利用 3D 列印機編程來完成語言。 市場上幾乎所有的列印機都使用開源Marlin 固件和 G-Code 作為編程語言。

G-Code 非常直觀,可以在任何文本編輯器中編寫,並且不需要任何編程知識。例如,“G1 X10 Y12 Z5”字符串將移動列印頭到 10/12/5 X/Y/Z 空間。 G代碼編寫可以也可以使用 FullControlGCode 實現自動化。[101]

我們還修改了一台 3D 列印機以實現組織學自動化染色程序。 這裡有一個簡單的用於固定玻璃的附加組件載玻片安裝在列印頭上。 根據組織染色程序,然後對 3D 列印機進行編程在不同的溶劑罐中移動這些載玻片(圖5b).[103] 這個過程可以很容易地用於可編程與高價的浸塗機相比,也可用於塗層。

廉價的 3D 列印機也經過改進,可以列印軟材料並在所有方面成為生物列印機(圖 5c)。 [104] 我是確信這只是自動化的冰山一角,使用機械和電子學的實驗室程序3D列印機。 開拓消費市場以獲取廉價和個性化的實驗室設備加上不斷擴大的 DIY 和創客運動將帶來新的思想,同時,科學的民主化。

圖 5. 修改後的 3D 列印機示例。 a) 3D 列印機機械和電子組件被轉化為可控的注射泵。 [102] b) 3D 列印機被轉換成用於組織學的自動染色機。 [103] c) 修改後的用於將 FDM 列印機轉變為生物列印機的擠出機,來自 [104]

結論與展望

最後,我將回答一些關於實驗室中的 3D 列印。

第一個問題是:“我應該買哪台 3D 列印機?”這很大程度上取決於您想如何使用 3D 列印機,實驗室的技術水平如何?顯然,它的預算是多少。截至 2022 年,最佳市場上用於專業用途的 3D 列印機是 Ulti 製造商。它很貴,但要歸功於它的列印機/材料/切片機生態系統,它是最容易訪問和最可靠的生態系統之一,即使對於初次使用的用戶也是如此。他們應該被考慮主力。 Prusa 的列印機共享一個類似的生態系統列印機/材料/切片機。他們比那些Ultimaker更便宜,但仍然非常可靠,擁有龐大的用戶群,不錯質量控制和製造商的支持。在美國,Flashforge 列印機也被標記為可靠並具有良好的質量控制。 Creality Ender 3 V2 是一款廉價列印機的絕佳起點。我推薦這些適合想要深入了解 3D 列印機以及它們是如何工作的的用戶的列印機。雖然沒有質量控制,但是用戶群非常龐大,對於你遇到的每個問題,網上會有很多解決辦法。這Creality Ender 3 是最早出現在200攝氏度C下方的 3D 列印機之一

。如今,它有很多仿冒品,例如,來自 Anycubic 或 Voxelab。實驗室的最佳設置是要有一個“堅不可摧”的主力和一個便宜的 3D列印機,來學習列印機的來龍去脈以及如何使用解決它的問題。

二個問題是:“下一步是什麼?”

為了使 3D 列印機成為實驗室使用的標准設備,我們可以改進以下幾點: 適當的數據庫仍然缺乏。到目前為止,設計在不同的數據庫,呈現對特定設計的搜索麻煩。 幾年前NIH 製作了一個 3D 列印零件數據庫,但許多研究人員更喜歡使用其他的。這是維護得不好,而且幾乎找不到零件。為了解決這個問題,一個具有良好的統一數據庫搜索引擎和 DOI 或類似 DOI 的系統以正確引用該設計是理想的。還有一個很重要的就是教關於 3D 列印和 3D 設計。 3D 的基本原理列印、3D 設計和編程應該是幾乎所有科學家的課程。在這裡,我對您的建議是在您的課程中引入 3D 列印,而與您所教的內容無關,即使不到一個小時。新技術將嚴重影響下一代科學家並引入 3D 列印和編程盡快在他們的課程中加入將對學生的發展有很大的幫助。

要考慮的另一點是塑料廢物。當世界試圖減少塑料材料的使用時,3D 列印在“綠色”方面似乎違反直覺材料。然而,除了 3D 列印的綠色優勢一般來說,與行業標準相比,例如印刷僅一件,使用地點印刷,無需出貨等,綠色(er)材料開始出現在市場上。回收PETG或PLA目前可用來自許多不同的供應商。但是,我們可以做得更好,只使用回收材料。例如,支撐材料應盡可能避免。支撐材料是塑料材料,一旦列印完成即被扔掉,因此在可能的情況下,應注意對象的設計無需使用任何工具即可列印支持材料。對於多色或多材料列印機也可以提出類似的反對意見,因為大多數材料是在“彩色塔”中被清除。再一次,它是廢物,應盡可能避免。塑料垃圾來自 3D 列印的產品只是滄海一粟,它是全球塑料垃圾中極小的一部分。但是,關於該主題的討論以及如何避免不必要的浪費或

盡量減少它對於道德研究環境至關重要。

我希望我設法讓你相信實驗室裡的 3D 列印機。 這篇簡短的評論只關注在 FDM 列印機上,因為我相信這是第一步在 3D 列印中,是最通用的一種。 或早或晚稍後,您將遇到立體光固化成型 (SLA) 或蒙版立體光刻 (m)SLA 列印機。 他們使用混合甲基丙烯酸酯和光聚合反應製造 3D 物體。 如果一個學生要這種列印機,買它們,他們可能比你知道的更多(還有我,為了它的價值)。

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103. Ponzetti, M., Devarapu, G.C.R., Rucci, N., Carlone, A., and Saggiomo, V. (2022) HistoEnder: a 3D printer-based histological slide autostainer that retains 3D printer functions.

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再訪Bioawk:定序序列分析

處理Fastq和Fasta檔案是進入次世代定序後常會遇到的情境,且當你有特殊需求時,可能就必須要從底層開始來設計你的序列分析方法。

之前寫過 Bioawk:專門處理定序相關格式的awk(fasta,fastq,bed,sam,vcf,gff)awk 進階筆記:字串處理, awk裡好用的變數:FS, OFS, RS, ORS, NR, NF, FILENAME, FNR。 最近開始又要處理序列,所以來稍微複習一下。

推薦觀看美國猶他大學(University of Utah)的教授Aaron R. Quinlan的應用基因體學課程中分享AWK和Bioawk的影片:Applied Computational Genomics – awk and bioawk,裡面的講解簡單且易上手。

AWK是一個古老的Unix程式,在1970年代在當時資通訊最前沿的貝爾實驗室,由三位工程師Alfred Aho, Peter Weinberger, Brian Kernighan共同開發的,主要是一款字串處理程式。

AWK reads the input a line at a time. A line is scanned for each pattern in the program, and for each pattern that matches, the associated action is executed.

— Alfred V. Aho

使用bioawk和seqkit基本上,就可以解決百分之90以上,在fasta/fastq的前處理和基本分析需求,另外,fastp也是另一個蠻不錯的軟體,蠻適合用來修剪(trim)序列使用,速度也快。

bioawk基本上是建立在awk的語法上,但提供不錯原生的變數可使用,基本涵蓋次世代定序相關的資料結構,所以非常方便,減少許多重新發明輪子的問題,如下表:

BEDSAMVCFGFFFASTX(FASTA/FASTQ)
chromqnamechromseqnamename
startflaqpossourceseq
endrnameidfeaturequal
nameposrefstartcomment
scoremapqaltend 
strandcigarqualscore 
thickstartrnextfilterfilter 
thickendpnextinfostrand 
rgbtlen group 
blockcountseq attribute 
blocksizesqual   
blockstarts    

使用情境

計算序列檔案中有幾個reads?

bioawk -c fastx '{print $name}' input.fasta | wc -l

計算序列檔案中,每一個reads有多長,並且輸出成一個tab相隔的資料

bioawk -c fastx '{prin $name, length($seq)}' input.fasta > reads_length.txt

篩選序列檔案中,長度大於3000,小於4000的reads

bioawk -c fastx 'length($seq)>3000 && length($seq)<4000{print ">"$name;print $seq}' input.fasta > filtered_input.fasta

進階情境

篩選序列檔案中,含有在序列ID檔案中的reads

seqkit grep -f curated_id.txt input.fastq -o curated_input.fastq

篩選序列檔案中,用特定引子對去做對照,其可以夾出來的核酸區域

seqkit amplicon -F ATACTTCCTATCGCGTA -R TCTATCGCTCGATC input.fasta

閱讀參考:

生信小工具:awk的升级版bioawk

bioawk github

fastp gitbhub

seqkit 使用说明

2016. SeqKit: A Cross-Platform and Ultrafast Toolkit for FASTA/Q File Manipulation. PLos One

Shifu Chen, Yanqing Zhou, Yaru Chen, Jia Gu; fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor, Bioinformatics, Volume 34, Issue 17, 1 September 2018, Pages i884–i890, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty560

Bioawk basic

分子醫學於臨床醫師之教育

大概對於基因的興趣,緣起頗早,但因為這十年基因科技的進步速度過快,很難在傳統的醫學教育中能習得,即使到了住院醫師階段在臨床病理訓練之中,這類技能還是無法由機構教育或是傳統師承中獲得,這或許是一個蠻需要提升的點。

這是在去年年底於科內分享之主題,對於如何分享這類知識和興奮,其實是我蠻感興趣的,畢竟建置一個好的前沿分子檢測實驗室,需要一整組人,所以與其把自己打造成全方位,可能需要花一點時間建置內部教育系統,相對來說比較能放大。

在準備這類資訊時,也發現這不單只是目前國內醫學或是病理教育的問題,其實在國外也是,關鍵在於領域進步太快,又太能快速給予病人照顧回饋。不過從另一方面來說,各行各業都面臨如何導入新資訊技術的挑戰,所以醫療行業也不免俗的會遭遇。

這篇是在探討美國病理醫師教育裡面,去探討生物資訊學於其中遇到的困難,這邊羅列的狀況跟這裡很像,不外乎為:

  • 在醫學院教育中就沒有相關資源暴露(這樣寫是因為不一定是要寫在課程內,也可以用其他模式讓同學能有意願暴露於其中)
  • 相關師資缺乏這領域的概念和知識
  • 原本的病理訓練過程中,要學習的事物就太多了
  • 臨床服務過重
  • 醫師並不認為這很重要,相對就不會去學習
  • 缺乏相關的教育資源

其實仔細一看,這跟我們這邊所面臨的狀況完全一致,所以這應該是全球性的困難議題。

這邊則是另一份研究報告,雖然比較久遠,但顯示的是更細去看,相關病理專業醫師對這類技術理解的深度調查。

The Current State of Resident Training in Genomic Pathology: A Comprehensive Analysis Using the Resident In-Service Examination, American Journal of Clinical Pathology, Volume 142, Issue 4, October 2014, Pages 445–451, https://doi.org/10.1309/AJCPH2A4XTXJUKDZ

這邊很明顯的是可以讓人知道,普遍住院醫師在病理科訓練後,對於基本分生領域的知識如聚合酶連鎖反應(Polymerase chain reaction)、核酸定序(DNA sequencing)、單核甘酸多型性變異(Single Nucleotide Polymorphism)、次世代定序(Next-generation sequencing)其實普遍沒有太多的掌握。

在2020年,在美國臨床病理協會裡面有一個所謂的Training Residents in Genomics Working Group,發表了新的一篇探討住院醫師訓練的文章:Integration of Genomic Medicine in Pathology Resident Training,可以清楚看到教育人員對於目標有更佳清楚了認定。

from Figure 4. Haspel RL, Genzen JR, Wagner J, Lockwood CM, Fong K; Training Residents in Genomics (TRIG) Working Group. Integration of Genomic Medicine in Pathology Resident Training. Am J Clin Pathol. 2020;154(6):784-791. doi:10.1093/ajcp/aqaa094

可以看到在2020年時,問券的問題更加具體化,把技能定位更為清楚,分為:

  • 能直接討論次世代定序報告 Discuss NGS-Based Report
  • 能直接討論桑格定序或是聚合酶連鎖的檢驗報告 Discuss Sanger/PCR-Based Report
  • 判斷否個基因變異的臨床意義 Determine Significance of Genetic Variant
  • 選擇適合的分生檢驗方法 Selecting the Best BLock for Genetic Testing
  • 討論切片報告 Discuss Colon-Biopsy Report

對資料庫的掌握程度

from Figure 5, Haspel RL, Genzen JR, Wagner J, Lockwood CM, Fong K; Training Residents in Genomics (TRIG) Working Group. Integration of Genomic Medicine in Pathology Resident Training. Am J Clin Pathol. 2020;154(6):784-791. doi:10.1093/ajcp/aqaa094

可以看到這幾個基因和臨床藥物使用相關的重要資料庫或工具,如PharmGKB, PolyPhen, cBioPortal, ClinGen, ClinVar, ClinicalTrials.gov, COSMIC, OMIM, PubMed,所以代表這算是臨床病理住院醫師需要去碰觸與理解的區塊。

在2021年七月,美國分子病理學會發表了一份更細緻的訓練活動論文:A curriculum for Genomic Education of Molecular Genetic Pathology Fellows. The Journal of Molecular Diagnostics,裡面有更細且更全面地去剖析分子病理裡面的知識點:

  • Test Selection and Design
  • Specimen Acquisition and Assay Input
  • Testing
  • Bioinformatics
  • Clinical Interpretation
  • Validation and laboratory management

台灣臨床病理暨檢驗學會是負責台灣臨床病理專科醫師訓練的學會,近期也更新了住院醫師訓練的計畫,導入所謂的里程碑評核表,架構上,相對比較貼近這邊的架構,細節如下:

  • 檢驗之設計與確效
    • 等級一:了解檢驗之設計與確效的各項步驟,包含分析方法確效與臨床確效
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,能設計與確效一檢驗項目,包含統計分析層面
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,能設計與確效一檢驗項目,包含統計分析層面
    • 等級四:能獨立地設計與確效一檢驗項目,包含統計分析層面
    • 等級五:能得到檢驗設計與確效之國家等級認證,例如:可獨立發表著作或報告
  • 品質確認
    • 等級一:了解品質確認的重要性
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,進行一檢驗項目之品質確認,以確保分子基因檢驗結果之完整正確可性度
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,進行一檢驗項目之品質確認,以確保分子基因檢驗結果之完整正確可性度
    • 等級四:能獨立地進行一檢驗項目之品質確認,以確保分子基因檢驗結果之完整正確可性度
    • 等級五:參與國家等級之檢驗項目品質確認計畫和準則之建立與執行
  • 檢驗結果的判讀
    • 等級一:基本了解分子基因檢測之判讀方法:
      • 體細胞變異、生殖細胞變異、微生物之偵測與定量、單株性評估
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,進行體細胞變異、生殖細胞變異、微生物之偵測與定量、單株性評估
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,進行體細胞變異、生殖細胞變異、微生物之偵測與定量、單株性評估
    • 等級四:能獨立地進行體細胞變異、生殖細胞變異、微生物之偵測與定量、單株性評估
    • 等級五:能夠制定基因體檢驗之臨床準則或是政策
  • 分子檢驗
    • 等級一:能了解血液病理、遺傳性疾病、人類白血球抗原、傳染病、固態腫瘤、藥物基因體學。
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,指出基因體檢驗之適當臨床使用情況與判讀適切應用
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,指出基因體檢驗之適當臨床使用情況與判讀適切應用
    • 等級四:能獨立地指出基因體檢驗之適當臨床使用情況與判讀適切應用
    • 等級五:能夠制定基因體檢驗之臨床準則或是政策
  • 基因體檢驗
    • 等級一:能解釋基因檢驗與基因體檢驗之差異,了解基因體檢驗之原理和方法學如微陣列、全基因組關聯分析、次世代定序。
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,指出基因體檢驗之適當臨床使用情況與判讀適切應用
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,指出基因體檢驗之適當臨床使用情況與判讀適切應用
    • 等級四:能獨立地指出基因體檢驗之適當臨床使用情況與判讀適切應用
    • 等級五:能夠制定基因體檢驗之臨床準則或是政策
  • 以病患為中心之檢驗報告判讀
    • 等級一:了解病患資訊對於解釋分子檢疫結果的重要性。
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,尋找並整合其他病患資訊以正確判讀分子檢驗結果
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,尋找並整合其他病患資訊以正確判讀分子檢驗結果
    • 等級四:能獨立地整合其他病患資訊,以正確判讀分子檢驗結果
    • 等級五:能夠制定如何整合其他病患資訊以正確判讀分子檢驗結果之臨床準則或是流程
  • 分子醫學實驗室的相關規範
    • 等級一:了解分子醫學實驗室的相關規範,能力試驗的目的與應用,了解品質保證的基礎知識,注重病人隱私和資料的保密,並符合醫院和政府的規範。
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,可以落實分子醫學實驗室的相關規範,審閱能力試驗的結果。
    • 等級三:在少許臨床病理專科醫師的指導下,可以落實醫學實驗室的相關規範,並能夠依據能力試驗的結果進行相關的改正措施。
    • 等級四:參與醫學實驗室的稽核活動
    • 等級五:能夠進行分子醫學實驗室相關的稽核活動
  • 分子醫學實驗室管理
    • 等級一:了解分子醫學實驗室的組織架構,以及臨床病理專科醫師於實驗室人員管理的角色。
    • 等級二:了解分子醫學實驗室的人員組成以及工作流程。
    • 等級三:能夠說明分子醫學實驗室的人員管理作法,以及聘任流程。
    • 等級四:實際參與分子醫學實驗室人員的聘任過程
    • 等級五:能夠有效的管理分子醫學實驗室人員。
  • 實證醫學下的檢驗應用
    • 等級一:了解依據實證醫學來應用分子醫學檢驗的重要性
    • 等級二:在充分臨床病理專科醫師的指導下,能夠進行嚴謹的文獻回顧,依據實證醫學,說明分子醫學檢驗的應用。
    • 等級三:在手許臨床病理專科醫師的指導下,能夠進行嚴謹的文獻回顧,依據實證醫學,說明分子醫學檢驗的應用。
    • 等級四:能夠獨立地進行嚴謹的文獻回顧,依據實證醫學,說明分子醫學檢驗的應用,並且發展相關的準則。
    • 等級五:能夠實驗機構中之分子檢驗的臨床應用準則,並對實證醫學有所貢獻。

整體可以看到對於分子醫學這塊,歐美與台灣的臨床學會都正努力地改善現有的訓練制度,但實際上要讓學員能獲得這些確認點之學習,還是得有動手實作的活動,下面這些資訊就可以用來幫忙設計:

from 2019, Integrating Molecular Biology and Bioinformatics Education
from 2019, Integrating Molecular Biology and Bioinformatics Education

閱讀參考:

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  • (2019). Regulation of Laboratory-Developed Tests A Clinical Laboratory Perspective
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  • (2019). Fostering bioinformatics education through skill development of professors: Big Genomic Data Skills Training for Professors
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  • https://lifescitrainers.org/trainers-registry/
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科學月刊-生物資訊大解碼

四月份科學月刊生物資訊大解碼相當吸引我,特定去訂了紙本雜誌來蒐藏,看裡面會怎麼去分享這個非常重要且多元的領域,雖然所謂的生物資訊領域已經至少十年以上,但其內涵和產業大概每五年都會有蠻多不同的技術系統出現。

這集封面故事主要有四篇文章組成:

四篇文章都是用淺顯易懂的方式來分享這領域的看法和知識。

第一篇生物資訊是什麼,是由林志鵬所撰寫,他是英華達醫療電子事業部資深經歷,銘傳大學兼任助理教授,曾任有勁基因研究服務銷售總監。

  • 1989,美國人類基因體計畫(Human Genome Project)的開始,2007年次世代定序地出現,從10年30億美元定序一組簡略且錯誤百出的參考基因組,到2天內解碼48個人類的基因。
  • 最原始的生物資訊,探討生物核酸序列的異同: 美國國家生物技術資訊中心的BLAST
  • 從核酸序列的分析到蛋白質結構的預測:蛋白質資料庫(Protein Data Bank, PDB),從1994年還有蛋白質結構預測的關鍵評估(Critical Assessment of protein Structure Prediction, CASP)比賽,近年來的機器學習也開始被應用於這類巨量資料之中。
  • 2015年美國總統歐巴馬提出的精準醫學計畫(Precision Medicine Initiative),預計搜集100萬人的基因資料用於疾病診查使用。
  • 2020年的自然期刊上,刊登英國10萬人的全基因組定序計畫(UK100K),顯示出英國政府在這領域的決心。

第二篇生物醫學資訊科技帶領醫療數位轉型,是由張明台所撰寫,其為亞大基因科技創辦人,此篇撰寫就可以看出偏重資訊架構面在建置基因定序服務於實驗室會需要考慮和面對的狀況。

這篇文章

from 2021. Precision medicine in 2030—seven ways to transform healthcare

  • 資訊科技應用在生物資料上有很重要的角色,如何選擇演算法工具、統計方法,資料儲存和管理的方式,是否建置資料湖泊(data lake),怎麼處理排成、運算資源最佳化、數據安全性、流程是否符合法規。
  • 建置臨床基因檢測實驗室包含了生物資訊分析設計、IT軟硬體系統建置,以及維運的中央實驗室,本質上技術含量極高,且跟傳統的醫療專業相當不同
  • 全球基因體學和健康聯盟(Global Alliance for Genomics and Health, GA4GH)的研究,在2025年,在臨床醫療場域將會有超過4750萬罕見疾病基因體,以及8300萬癌症基因體被定序,到2027年將有70%的癌症診斷檢測,使用基因定序分析。
  • 如何將半導體產業的自動化電子設計(Electronic design automation)觀念,導入臨床生物資訊的流程設計,且能有功能驗證與確校,如何做好自動化流程設計。
  • 使用基因定序資料來計算同源重組修復缺失(Homologous recombination deficiency, HRD),包含使用單核甘酸變異(Singel nucleotide variants)、小片段插入缺失變異(Short insertion and deletion)、複製數變異(Copy number variation)、大片段基因重組(Large genomic rearrangement)
  • 分享美國國家衛生研究院柯林斯2021年在Cell雜誌分享對於2030年精準醫療的看法(Precision medicine in 2030 – seven ways to transform healthcare)
    • 巨量的縱貫長期的世代研究資料
    • 群體的生物多樣性
    • 大數據與人工智慧
    • 例行性臨床基因定序檢測
    • 電子健康紀錄
    • 表現型體學與環境因子
    • 隱私、信任與價值回顧

第三篇 以『次世代定序』完成精準醫療,更能協助生命科學領域的探索 由中央大學生醫科學與工程學系系統生物與生物資訊博士候選人 趙盈婷和中央大學生醫科學與工程學系副教授 許藝瓊撰寫,此篇就聚焦在次世代定序的介紹和與過去定序技術的比較和微生物箘群

  • 基本上,要先有資料,才有辦法有所謂的“資訊”,所以生物進入大數據時代,高通量定序技術絕對扮演重要角色,從第一代的定序技術桑格定序於1977年發行,到約2005-2007年開始有次世代定序技術,整個領域進步飛快
  • 次世代定序中,illumiina公司的技術算是主流,其只要是使用所謂的sequeing by synthesis的概念來打大規模定序。
from https://www.genscript.com/advancing-genomics-medicine-and-health-together-by-semiconductor-dna-synthesis-technology-summary.html

  • 次世代定序也開始被應用在不只人類疾病研究上,傳統微生物學研究,必須仰賴培養和後續的生化分類,或是簡單使用16s定序,如今使用次世代定序則依次可以探索檢體內所有的微生物核酸序列,美國腸道協會(American Gut Consortium)在2012年推出美國人腸道計畫(American Gut Project),其在2018年發表了第一個全面性的人類微生物體學資料庫,影響大眾開始對人體微生物群的興趣。
  • 同時,也可以利用此技術來研究環境中的微生物群體,免去培養等培養難題

第四篇學習生物資訊學要具備哪些能力,是李御賢教授的專訪,由科學月刊總編輯林翰佐採訪撰稿

  • 李御賢老師是國內很早期開始做生物資訊方向研究的學者從基因維陣列到後面的次世代定序資料,參與過SARS-COV病毒序列研究、史帝文森症候群的印務基因體學研究等等
  • 現在的生物資訊學家需要具備建立程式管鍊(pipeline)的能力,串連很多程式進行分析,且具備撰寫批次檔案的技能。
  • 建議對於生物資訊學有興趣的人可以從三項能力來培養
    • 基本建立分析管線能力Pipeline
    • 資料視覺化之技能
    • 基本生物學的基本素養
  • 生物資訊領域進步迅速,需要不段的累積新的知識和能力

使用區跨鏈打造去中心化科研DeSci

科學美麗的地方是來自於自由的分享和討論,心智間毫無保留的交流相信是很多做科學探索的人很喜愛的時刻,雖然那是幾乎不存在的,在當今科學研究越來越“內捲”,如何跳出現有的紅海,但持續做有趣的探索,於是開始有一個打破傳統學術劃分的組織出現,這些幾乎都是在2022年初幾個月內出現的,非常驚人!

from @UltraRareBio

區塊鏈本身是一個非常大的技術區塊,如今加密貨幣其實只是其中一塊市場較熟悉的部分,但實際上,可以想像是建立web3.0的基礎設施,可以參考之前寫的這篇文章:社群、區塊鏈、NFT和新型態生技開源模式,其中一個部分族群希望用區塊鏈來促進科學的自由化,所謂的去中心化科研,或是改善現有的科技、科學流通而努力的項目,上面那張圖則是目前紀錄跟這想法相關的(雖然他們用的英文都是去中心化,但我自己是覺得只能說新型態或是使用區塊鏈技術革新會比較適合,很多跟人類文明相關的東西,很難真的去中心化):

  • Science DAOs 基於區塊鏈架構之科學自治組織
    • VitaDAO
    • LabDAO
    • BioDAO
    • GenomesDAO
    • OpScientia
    • Research DAO
    • Research Hub DAO
    • PsyDAO
    • CRISPRDAO
  • Decentralized Funding of Science 新型態科學資助系統
    • Experiment.com
    • Vibe Bio
    • Crowd Funded Cures
    • SCINET
    • Sciencefund.io
    • DeSci Foundation
  • Decentralized Biotech 基於區塊鏈架構之生技社群
    • Perlara PBC
    • ValleyDAO
    • Phage Directory
    • Cloud Labs: STRATEOS, EMERALD
    • Molecule
    • OpenNMN
  • Scientific Publishing 新型態科學發表系統
    • Ants Review
    • Atoms.org
    • OpenAcessDAO
    • Flashpub
    • Braid Science
    • Seeds of Science
  • Foundations & Institutes 新型態科學機構
    • Foresight Institute
    • Astera Institute
    • DeSci Foundation
    • Arc Institute
  • Science x Art x Web3 科學藝術項目
    • UltraRare Bio
    • GENEnft
    • DNAVERSE
    • Atomic Heart NFT
    • SameYou
  • Communities & Chats 科學社群運營
    • Blockcahin for Science
    • Friendzymes
    • DeSci World
    • Bio Dojo

上面這些社群或是組織、項目都是這一年內出現的,主要都利用以太坊作為其基礎設施,大家都在探索這些機制要怎麼運用,蠻期待這方面的進展,這是一個補足開源科學的重要閉環,讓其具有原生性之金融系統,且超越國界及傳統的金融隔閡!

參考閱讀

DeSci@EthDenver

https://t.co/ziuXxjqc1a

艾西莫夫Issac Asimov的預言:綠藻吧

趁連假空出一段時間,來閱讀和思考,翻到很喜歡的作家鄭志凱在2016年的書:小國大想像,這本書大部分寫作時間是在2014年,距今也過了快十年,時空是在中美還沒有交惡前,疫情沒有爆發,其中一篇文章現在閱讀起來特別有感覺,上一次看這本書,我對於合成生物學的背景理解還不多,現在重看就異常有趣,其中一篇名為:1964, 2014, 2064的文章,原本發表於天下雜誌專欄,但在書裡面有再改寫,多加入一些東西,看到下面這段文章,讓我很有感覺:

from 小國大想像:第二章 1964, 2014, 2064

這幾句是來自艾西莫夫(Issac Asimov)的預測,艾西莫夫是科幻小說界的老鼻祖,從機器人系列、銀河帝國三部曲、基地系列,裡面塑造的未來,至今回看許多都成為真實,其中艾西莫夫對於未來有許多的預測,這邊有艾西莫夫的訪談,可以一睹前輩風采

The 2014 fair will feature an Algae Bar at which “mock-turkey" and “pseudosteak" will be served. It won’t be bad at all (if you can dig up those premium prices), but there will be considerable psychological resistance to such an innovation.

from Issac Asimov prediction

想起這一兩年實驗室養肉的新創如雨後春筍,看起來這些預測慢慢都會成為真實,果然人類的想像力是帶領我們前行的重要力量,更有趣的是下面的預測:

期許我們在假期和閒暇中,能找到如艾西莫夫的想像力,並從中一起創造未來!

合成生物學即將革命你的產業

這篇是閱讀自BCG的研究文獻摘要,關於合成生物學對於產業的影響。

from BCG Interview and research: Synthetic Biology Is About to Disrupt Your Industry

合成生物學的技術慢慢越來越成熟,幾乎各種產物都可以使用生物來製造,產業需要學習如何利用這個領域的知識來幫助其優化製程、降低成本,確保未來的產業競爭優勢。

合成生物學這名稱不重要,重要的是實質底層的意涵,生物學本質上是去研究生物體內的現象和機制,而合成生物學則是利用對這些生物體的理解來設計及應用於生產和創造。微生物本身就能產生各式各樣的化學物質,隨者我們導入合成生物學的架構和工程思維,便能大幅改善整個生產流程。

供應鏈將不在受限於原物料的供應,公司將能理用細胞、細菌等等從底層來產生這些材料,比如半克的牛肌肉細胞可以培養成好幾百磅的牛肉,這類的技術將會創造數以百計的公司。估計到2030年,整個產業的價值會超過30兆美元。

整個產業的前進,主要得益於這十年來基因修改和定序的技術進步,除了相對便宜和方便的定序進步外,使用CRISPR作為基因編輯的工具讓價錢大幅降低,加上許多技術的進步如機器自動化、人工智能等等,讓這些技術的整合能帶給製藥產業、服裝產業、農業、化學工業、能源產業等等不一樣的革新和思維。

充滿創意的產品和製程

前幾年大火的植物肉,如Impossible Foods和Beyond Meat算是掀起了歐美產業的革命(素肉在東方算是相對成熟的市場,只是沒有這波歐美公司成功的市場策略和製程),也揭示了利用合成生物學的方法可以產生什麼過去無法想像的產品類型

Company with innovative product:Impossible Foods, Beyond Meat, Innocent Meat, New Age Meats, Change Foods, Eat Just, Good Chicken, Upside Foods, Ginkgo Biowork, Joyn Bio

改善現有產品的製程和表現

新的合成生物學公司開始重新設計一些傳統原料的製程,為了建置環境友善的流程,且能不使用石油為原料,改變整個供應鏈生態,另一方面,細胞或是微生物為主的製程可以大幅提高產出率(理論值,但也相對應有許多要克服的困難,比如菌種污染、最佳化養殖條件等等)。另一方面,傳統的鍊金或是從廢棄物萃取金屬的方式會使用到大量的化學試劑,但相對使用所謂的生物浸出(Bio-leaching),利用微生物來提煉特定重金屬,則相對傳統方法是更乾淨環保的,如百年礦業集團力拓集團(Rio Tinto)、必禾必拓(BHP)開始導入生物方法來提煉金屬如銅。

Extraction and recovery of precious metals from electronic waste printed circuit boards by bioleaching acidophilic fungi, 2017

降低成本,增加稀有材料的供應

日常生活中,許多我們習以為常的原物料,取得是非常困難的或是不環境友善,比如香草精,自從1900年開始,香草精作為甜點中重要元素,使其全世界需求量越來越大,但實際上只有非常少數是從香草豆莢而來,大多數都是從不同化合物中轉化而來,百分之85是使用木餾油中的愈創木酚(Guaiacol),百分之15則是從木質素(lignin)而來。另外,在奢侈行業中的皮革,也是近年來飽受動物保護觀念而影響,逐漸希望能有替代方案,於是開始有相關的生技廠商,使用非動物性材料來創造出皮革的質感,比如Modern Meadow,便是使用可以產生膠原蛋白的酵母菌,藉此來製造成皮革材料,MycoWork公司則是利用蕈類的材質來創造皮革般質感的生物材料。

from MycoWorks website

催化更有彈性的供應鏈

隨者世界朝向低碳排等永續環境目標下,導入生物製程提供傳統行業更加環保的方案,如聖地牙哥的公司Genomatica,他們使用生物製程來產生尼龍所需的前驅物質,提供給杜邦公司作為尼龍6這個專利材料所用,主要使用微生物來發酵來自於植物的醣類,來產生這些前驅物質,而不須依賴石油,這樣的好處是可以讓製成的碳排放大幅降低。也因為是使用微生物等作為材料供應來源,整體供應鏈的彈性將遠比以前依賴石油時更為彈性。

未來這樣的產業趨勢主要由兩個東西決定:技術成熟(time to maturity)技術可接受性(diffusion)。技術成熟的時間,則跟產業能否規模化和成本相關聯,大概百分之九十的合成生物學技術,都無法規模化,規模化通常代表者菌株的選擇和優化,以酵母來說,至少要能每年60萬公升,動物細胞則是每年4萬5公升,而規模化需要時間,伴隨者就是成本的降低。技術可接受性,則跟當地法規、產業聚落、投資和產品特性央關,以及市場的選擇,是否生產目標本身極具被取代特性,這速度也跟相對於的人才供應有關。

合成生物產業改革傳統產業的方式

  • 現行產業面對新合成生物學產業的競爭,因其提供更便宜、更快的生產能力,以及相對低的環境足跡
  • 現行產業轉型往更環境友善的製程改進
  • 現行產業使用合成生物學公司所製造的新型態材料

所謂的產品替代,可能從B2B到B2C都有,在工業層級上,最主要的是BCD產業(大宗化學和特用化學產業),再來可能在往香料和調味劑方向做調整,主要根據可能的產業規模相關。

閱讀參考:

BCG: Synthetic Biology Is About to Disrupt Your Industry