生物学是一位令人惊叹的建造者。想想建造一株巨型红杉所需的复杂性和组织性，或形成蜘蛛网极高抗拉强度的过程，又或是古代微生物大规模改变地球大气的能力。
如今，科学家正在生物工程领域利用这种构建能力，实现针对众多不同新应用量身定制的生物功能。生物学认知、数据科学和分子生物学工具的融合，加上按需合成DNA的能力，使我们能够将细胞转变为用于生产人类所需产品的“微型工厂”。
例如，蜘蛛网中的丝线是一种经蜘蛛数千年优化的材料，它既轻盈又极为坚韧，并且非常擅长捕食猎物。借助对遗传密码的认识，科学家如今能够指导特定微生物生产数量远超以往可能的蜘蛛丝。这种丝线现已可加工成用于户外运动服装的织物，以及用于军事防御的装备。
生物工程这一新兴领域正在加速人们开发这种惊人构建能力的进程。该领域将标准化、模块化和稳健性等工程原理应用于复杂生命系统的基因工程，以满足特定应用需求。新的机器人工作流程和技术平台正在建立，由此出现了一类专门用于加速生物工程应用中生物设计原型开发的实验室。这类设施如今被称为生物铸造厂，并且正在全球范围内迅速建立。
生物铸造厂的核心是设计-构建-测试-学习（DBTL）循环，其中包括DNA遗传元件的计算设计、设计好的DNA元件的物理组装、在活细胞中对设计方案进行原型制作和性能测试，随后应用建模和计算学习工具为设计过程提供参考。DBTL循环的反复迭代，最终产生旨在满足设计规格要求的遗传设计。
当前生物铸造厂的基础设施各不相同，但主要以高通量液体处理机器人为核心，这些机器人可实现数百万次由计算机控制的液体操作，使基因改造生命系统所需的许多流程实现自动化。与此相配合的还有高通量生物检测仪器，用以提供为生物设计过程提供参考所需的数据。这些生物设计和原型开发设施，与20世纪70年代为计算机开发的设施类似，后者推动了信息通信技术革命。因此，这些设施是未来全球生物制造能力以及可持续生物经济前景的关键。
独特之处在于，生物铸造厂能够对工程化微生物进行原型开发，将一种工业流程的废料转化为另一种工业流程的原料，为难以在没有生物技术的情况下实现的可持续制造打开了大门。例如，此类工程化微生物可将烟道排放的甲烷气体转化为富含蛋白质的生物质，用于相邻生物精炼设施中的动物饲料。另一个例子是，经代谢工程改造的细菌能够从葡萄糖中高效生产脂肪酸和柴油，这使得生产生物柴油不再依赖植物油或动物脂肪成为可能。
此类高效微生物细胞工厂的开发可以在生物铸造厂内得到简化。其他应用还包括：生产大宗化学品、生物塑料、以蛋白质为基础的食品和抗生素的微生物细胞工厂，这些都是向采用工程化细胞的、更可持续的生物基制造体系转型的一部分，仅举几例。相关应用还延伸至低成本生物基传感器和诊断工具，这些工具可在投入使用前快速进行原型开发和优化。其中包括用于检测水体污染（如砷和铅）以及疾病的新型环境生物传感器，适用于资源匮乏的环境。
其他医疗应用包括新型疫苗原型开发、用于癌症治疗的新型细胞疗法研发，以及活性益生菌药物递送和疾病检测系统的工程化。例如，人体内的微生物群落提供了新的治疗干预手段：比如，肠道内的微生物群落可经工程改造，以最大限度地提高营养吸收和疾病检测能力，同时调节肠道、心理与免疫健康之间的密切关系。所有这些应用都需要工程化细胞或工程化微生物群落，它们可在生物铸造厂内进行设计、原型开发和研发。
随着生物工程能力的非凡发展，人们也认识到需要加强安全意识。虽然结合生物铸造厂的知识有望支撑这些神奇的生物解决方案，但某些能力可能被怀有恶意的人所利用。为降低这种可能性，科学家和工程师必须主动考虑其工作的安全影响，并在必要时采取积极措施应对额外风险。依据其中一项机制，生物铸造厂已在全球多个地点建立，旨在对社会产生积极影响，并推动经济增长与稳定。全球联网的生物铸造厂体系将形成一个协作社区，以帮助确保生物铸造厂的活动负责、公开、透明且安全。
一个由公共资助、非商业性生物铸造厂组成的全球联盟，称为全球生物铸造厂联盟（GBA），该联盟近期已于2019年5月在日本神户成立并正式启动。GBA为知识共享和开放技术开发提供了契机，以提升发现能力，同时也为制定共同标准和参考材料提供了机会。每个生物铸造厂都具有独特性，通常在其所采用的细胞类型和工艺方面具有一定的专业化特长。协同合作还能扩展细胞类型组合，从而更好地确保能够识别出合适的“底盘”（用于定义特定应用中细胞的概念），并依托现有知识基础构建量身定制的解决方案。了解各设施所提供的专业能力，有助于识别在医药、材料、化学品、燃料、食品和环境等多个领域中，最擅长应对特定挑战的机构。对所提供的专业知识和能力形成共同认识，也将为开展独特的国际合作打开大门，共同开发具有全球重要意义的化学品、材料和医疗应用。
将全球生物铸造厂统一为开放技术联盟，也为大型项目的快速推进提供了可扩展性，这些项目超出了任何单一实体的能力或容量范围。随着DNA合成成本下降，以及研究人员面对日益复杂的挑战而采取更加宏大的目标，这种需求的出现频率可能会增加。兼容的生物铸造厂联盟网络，能够简化人员和专业知识的交流，共同应对这些挑战。由于合作最适合建立在既有关系之上，该联盟为这一扩展网络中的个人提供了建立此类关系的机会，以便在需要开展具有全球重要性的合作时能够迅速行动。
全球合作可能至关重要的一种潜在情景，是出现不可预见的全球大流行病。届时，生物铸造厂可以协作开展大规模疫苗生产，并可借助该联盟提供帮助。该联盟还提供无与伦比的培训和共享机会，包括交流项目、开放技术开发以及对通用方案的协作测试。这些设施目前正在培训年轻研究人员，使其掌握将在未来几年主导研究格局并支撑生物制造的技术。
生物铸造厂为充分利用生物学惊人的构建能力提供了独特机遇。大量新材料、可持续产品和新型疗法有待开发，它们能够改变世界，并重塑全球可持续生物制造的面貌。全球生物铸造厂联盟还将确保这一生产潜力为所有人充分发挥，并确保各方为应对不可预见的全球疾病威胁做好准备。
