合成生物制造的“魔力”

2010年，在美國文特研究所，由克雷格·文特帶領(lǐng)的研究小組成功創(chuàng)造了一個新的細菌物種——“Synthia”。他們將細菌A的細胞核消除。將細菌B的DNA序列解碼并拷貝到電腦中，然后通過人工合成的方法（形象地說，就是用基因打印機把這個DNA序列打印出來），將細菌B的DNA重新制作出來并添加到細菌A的細胞中并激活它?？死赘襁€在這條新的DNA中加入了“水印”（就像他們的電子郵箱地址），以便于日后的辨認與區(qū)分。“水印”的作用是讓重新獲得DNA的細胞A有制造藍色色素的能力，由于原始的細胞A不具有產(chǎn)生色素的能力（所以是白色的），新合成的細胞A會很容易被辨認出來。

于是，在花費了40,000,000美元和15年的等待后，2010年5月20日，文特研究所宣布，世界上第一個由純?nèi)斯ず铣蓜?chuàng)造的細菌物種誕生了。這一“驗證理論”的實驗結(jié)果為眾多正在探討和進行類似項目研究的科學家們打了一劑定心針，因為克雷格證明了人工創(chuàng)造物種的可能性與實踐性。

與傳統(tǒng)生物學通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造的辦法不同的是，合成生物學的研究方向完全是相反的：它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。重塑生命，這正是合成生物學這一新興科學的核心思想。

新生命的合成

可以說，人類今天的衣食住行能夠得到滿足，以石油工業(yè)為基礎(chǔ)的化學合成功不可沒。然而，隨著工業(yè)化進程的加快，問題也接踵而至。為了緩解環(huán)境及能源危機，生物資源的潛在利用價值越來越多地被挖掘出來。以生物質(zhì)為原料或以生物體機能進行大規(guī)模物質(zhì)加工與轉(zhuǎn)化的生物制造業(yè)，成為各國的戰(zhàn)略重點。

而在諸多生物制造的關(guān)鍵技術(shù)中，合成生物學由于能夠根據(jù)人類需要重塑生命體，成為最具誘惑力的研究領(lǐng)域。合成生物學是將分子生物學、基因組學、信息技術(shù)和工程學交叉融合而產(chǎn)生的一系列新的工具和方法。它就像一個能夠提供成套遺傳基因組件的“工具箱”，可以將生物學版本的“晶體管”和“開關(guān)”隨心所欲地插接到“生物電路”上。

合成生物學強調(diào)的是“設(shè)計”和“重設(shè)計”。一方面，設(shè)計和建造新的生物零件、裝置和系統(tǒng)；另一方面，根據(jù)實際需要，重新設(shè)計已有的天然生物系統(tǒng)。而“新生命的合成”也是合成生物學的關(guān)鍵，通過新生命的合成擴大生命的能力，更好地為人類服務。

合成生物學具備重塑工業(yè)生產(chǎn)方式的潛力，與商業(yè)化距離極近。例如，現(xiàn)在科學家正在試圖創(chuàng)造的“細菌藥廠”、“細菌油田”，或者讓人造細菌去攻擊癌細胞以及處理環(huán)境污染，都需要合成生物學的參與。

總的來說，合成生物學給未來指明了一條提高工業(yè)生物技術(shù)競爭力、降低生物制造成本、改造生命體的可能的道路。

技術(shù)發(fā)展提速

合成生物學目前還處于襁褓中，狀況與計算機在上世紀50到60年代的處境比較類似，但插上新技術(shù)的翅膀之后，這一領(lǐng)域成長快速，到2018年，該領(lǐng)域的產(chǎn)值可能達到56億美元，而2013年的產(chǎn)值僅為19億美元。

目前，合成生物學已經(jīng)在生物醫(yī)藥、生物能源、化工品、環(huán)保等領(lǐng)域“大施拳腳”。國際上最為成功的案例莫過于美國加州大學教授Keasling工業(yè)化合成青蒿素這一經(jīng)典之作。

青蒿素是中國人首先發(fā)現(xiàn)的抗瘧疾良藥，由于天然的青蒿素需要從青蒿中提取，工藝復雜且成本較高，產(chǎn)量也十分有限。而Keasling利用合成生物學手段，在大腸桿菌和酵母中合成出青蒿素的前體物質(zhì)——青蒿酸，大幅增加了青蒿素產(chǎn)量，也使得每一劑量的藥品成本從10美元降至不到1美元。

與很多合成生物學公司一樣，美國銀杏生物工作室目前的主要研制對象是食品和化妝品行業(yè)需要的原料。就像用酵母來釀酒一樣，該公司研究人員正在利用微生物制造香料、營養(yǎng)品以及香水。他們的野心當然不止制造產(chǎn)品那么簡單，他們正與美國國防部高級計劃研究局合作，制造能對抗疾病并祛除空氣中溫室氣體的微生物。這是一個極其嚴苛的挑戰(zhàn)，不過，這些工程師們認為，通過在從食品到碳減排等復雜程度各異的領(lǐng)域內(nèi)應用其技術(shù)，他們能使這種生物制造方法更可靠、更可預測，并成為制造汽車或手機的生產(chǎn)線。

基因代碼作用更可預測

一種植物如何自組裝并使用水、空氣和陽光來制造食物，與人們?nèi)绾沃圃祀娮赢a(chǎn)品一樣充滿想象力。生物工程師們希望利用生物學的強大力量設(shè)計出新技術(shù)。他們正在撰寫新代碼，將生物學從無法預知的地方帶入可預測的王國。

銀杏生物工作室是其中的翹楚，其他還有如總部位于加州的合成基因公司、關(guān)注健康與延長壽命的人類長壽公司等。這些公司正在利用合成生物學的“魔力”，改變?nèi)藗儗τ谏恼J識。他們的主要做法是對微生物進行遺傳修改，讓其變成真正可以預測的工程學原則。

由于DNA內(nèi)包含有生物體內(nèi)不斷重復的堿基對序列，研究人員正在用這些代碼，構(gòu)建新操作系統(tǒng)和應用所需要的工具和基礎(chǔ)設(shè)施。其實，長時間以來，計算機程序員一直在做這樣的事情：使用0和1來預測很多事情的結(jié)果，如飛機自動駕駛系統(tǒng)、信用卡交易處理過程等。

因為自然的復雜性，生物學代碼迄今還無法像計算機代碼那樣提供精準的預測。所以，數(shù)十年來，生物學家、遺傳學家以及化學家們一直在試圖揭開遺傳學的秘密，希望能借此制造一種通用的生物編程語言，從而讓微生物采用可預測的方式執(zhí)行特定功能。在過去幾年，科學家們在這方面取得了令人欣喜的突破，他們學會了如何編寫DNA代碼。不過，使這種代碼更具預測性需要花費時間。

目前，科學家們正嘗試在似乎不可能的地方開始應用這些技術(shù)，例如，在制造天然香料和香水的過程中。

在傳統(tǒng)方法中，制造一瓶香味四溢的玫瑰精油可能需要1000多朵玫瑰的花瓣。但銀杏生物工作室科學家們采用的方法則大相徑庭，他們會從玫瑰花中提取基因，將其變成酵母后在發(fā)酵桶中培育生產(chǎn)出玫瑰精油，這一過程類似于釀造啤酒。研究人員表示，可以對這一過程進行升級，讓其自動對生物細胞進行編程，如此一來，研究人員就可以專注于設(shè)計定制細胞解決特定問題了。

合成生物學的另一應用則旨在為人類解決一個棘手的問題：對抗生素產(chǎn)生耐藥性的超級細菌。英國惠康基金會的最新報告指出，每年有70萬人死于抗生素耐藥性。而且，大型醫(yī)藥公司也在慢慢剝離抗生素的研發(fā)工作。現(xiàn)在，研究人員想到了新的解決辦法：通過對能對付并移除擁有抗生素抗性等有害特征的細菌進行修改重組，從而設(shè)計出新型益生菌。

仍面臨挑戰(zhàn)

實際上，基于合成生物學的生物制造業(yè)多數(shù)還未完全實現(xiàn)，由于生命分子的運作機制極為復雜，要想操縱它遠不是操縱扳手、螺絲刀或晶體管那樣簡單，合成生物學發(fā)展的每一段過程都面臨著挑戰(zhàn)。

目前，生物學對結(jié)構(gòu)復雜的生物個體以及生物機理的認識還都不夠充分。另外，由于用于生物制造的生物元件標準化未完善，生物模塊之間及模塊與“底盤”細胞之間的兼容性都不可預測，復雜性也難以處理。也就是說，許多生命“零部件”的特征和功能都尚未得到清楚的描述，比如它們的功能是什么，在不同類型的細胞內(nèi)，或在不同的實驗室條件下，它們是否會有不同的表現(xiàn)等等。

同樣，即使每個生物零部件的功能都已知曉，但將它們組合在一起后，其功能也不一定就如預期那樣。與其他可預測性更強的現(xiàn)代工程學科的設(shè)計過程相比，合成生物學家往往必須埋頭于煩瑣的試錯過程中。

總而言之，為了解決我們目前面臨的最大挑戰(zhàn)，應該將合成生物學推上科學舞臺的前臺，它將大放異彩，采用前所未有的辦法解決人類面臨的難題。