日本公司Spiber對(duì)細(xì)菌進(jìn)行了重編程，用來(lái)制作生產(chǎn)服裝的蛛絲。

從進(jìn)化的角度講，酵母與制作止痛劑可謂風(fēng)馬牛不相及。但是通過(guò)對(duì)這種微生物的基因重新進(jìn)行編輯，美國(guó)斯坦福大學(xué)科學(xué)家Christina Smolke使其精確地?fù)碛辛诉@一功能，Smolke團(tuán)隊(duì)用糖作為一種原料，將酵母轉(zhuǎn)變成了一個(gè)“生物工廠”，生產(chǎn)出了有效的止痛劑氫可酮。

這是合成生物學(xué)的有名案例之一。在此過(guò)程中，科學(xué)家對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了重編程，復(fù)制出自然界中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，甚至是生成了自然界有機(jī)物從未正式生成過(guò)的物質(zhì)。

合成生物學(xué)家雄心勃勃�！拔覀兌枷矚g想象這樣一個(gè)世界，在那里我們能夠用生物學(xué)方法，反復(fù)、快速地按需生產(chǎn)任何產(chǎn)品�！币晾�諾伊州西北大學(xué)合成生物學(xué)家Michael Jewett說(shuō)。全球各個(gè)團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)基因編輯酵母、細(xì)菌和其他細(xì)胞，制作塑料、生物質(zhì)能源、醫(yī)藥以及纖維，其目標(biāo)是建立比工業(yè)同行更加廉價(jià)、簡(jiǎn)便、可持續(xù)的生命工廠。例如，日本鶴岡市生物材料公司Spiber，已經(jīng)通過(guò)重新編程細(xì)菌加工出蛛絲，可用于制作堅(jiān)韌且輕便的冬裝。

但是合成生物學(xué)家要做的不僅僅是制作材料，他們正在通過(guò)把部分基因“接通”成電路，從而制作非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這些新領(lǐng)域已經(jīng)擁有一些成功的案例，但是當(dāng)前把基因組件結(jié)合在一起，需要大量的推測(cè)，其中具有相當(dāng)大的不確定性。為了促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)步，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界必須就可靠的基因組件工具箱以及組織它們的最佳策略達(dá)成一致。

由于DNA基因測(cè)序價(jià)格的大幅下降，合成生物學(xué)家可以通過(guò)大量基因數(shù)據(jù)選擇有用的基因�！吧�物學(xué)給我們提供了一個(gè)大到難以想象的可供選擇的閱覽室�！甭槭±砉�學(xué)院合成生物學(xué)家Christopher Voigt說(shuō)。其中的一個(gè)領(lǐng)先數(shù)據(jù)庫(kù)，如美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心的基因庫(kù)，就包含著超過(guò)1.9億個(gè)來(lái)自10萬(wàn)個(gè)有機(jī)物的DNA序列。

擁有無(wú)數(shù)合成DNA片段可供支配，合成生物學(xué)家便可以盡情地從事他們的研究。Voigt對(duì)這樣的前景抱有極大熱情：“生物學(xué)讓人著迷的一點(diǎn)是，做同一件事情可以有很多種方法，作為一名基因工程師，你可以選擇最簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)途徑�！比绻�要實(shí)現(xiàn)設(shè)定的工業(yè)目標(biāo)，那么基因組件就必須具備始終如一的特點(diǎn)�！翱傮w來(lái)看，生物學(xué)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，缺乏可再生能力�！庇�國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院系統(tǒng)與合成生物學(xué)研究所負(fù)責(zé)人Richard Kitney說(shuō)，“合成生物學(xué)領(lǐng)域的這個(gè)問(wèn)題完全讓人難以接受，因?yàn)槿绻�要進(jìn)行工業(yè)轉(zhuǎn)化，就必須擁有可復(fù)制性�！�

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)中心(NIST)去年3月啟動(dòng)了合成生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，其目的是在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和工業(yè)界使合成生物學(xué)設(shè)計(jì)、記錄以及組裝過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化。在英國(guó)，Kitney也在協(xié)調(diào)類(lèi)似工作，DICOM(醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和交流)的醫(yī)學(xué)信息共享標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)擴(kuò)展到包括合成生物學(xué)在內(nèi)。與此同時(shí)，一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了SBOL(合成生物學(xué)開(kāi)放語(yǔ)言)，為研究人員提供描述基因組件和電路的標(biāo)準(zhǔn)詞匯。

細(xì)胞軟件

由于自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)在制作合成DNA組件比以前更加簡(jiǎn)便和容易。但是將哪些部分相連，形成可以協(xié)同工作的基因電路，用來(lái)提供復(fù)雜的、像計(jì)算機(jī)一樣的行為仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。“任何時(shí)候，在生理上連接DNA時(shí)，你都是在那個(gè)界面上創(chuàng)建一個(gè)新序列。因?yàn)镈NA的信息含量是如此之大，你能夠以此創(chuàng)建一個(gè)新的啟動(dòng)子或是改變RNA的開(kāi)端�！盫oigt說(shuō)。

即便是仔細(xì)設(shè)計(jì)的電路也可能發(fā)生故障，導(dǎo)致生物電路內(nèi)部基因元素之間不希望的基因表達(dá)或是干擾，而這樣的后果在計(jì)算機(jī)模型中很難預(yù)見(jiàn)。“合成生物學(xué)界在很大程度上就像是在一個(gè)我們難以預(yù)測(cè)結(jié)果的世界里工作，當(dāng)我們?cè)跇?gòu)建它們的時(shí)候，不知道系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)發(fā)生什么�！瘪R薩諸塞州波士頓銀杏生物工作室共同創(chuàng)始人Reshma Shetty說(shuō)。

這種不確定性意味著，通過(guò)基因工程編輯一個(gè)合成系統(tǒng)的很多步驟需要進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。從建造人工DNA到將其插入一個(gè)微生物體，軟件工具和機(jī)械系統(tǒng)正在加速這一過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)。“你可以利用高通量原型構(gòu)建每個(gè)變量，并抱著它們中總有一個(gè)能夠達(dá)標(biāo)的期望�！痹擃I(lǐng)域先驅(qū)、加州大學(xué)伯克利分校生化工程師Jay Keasling說(shuō)。自動(dòng)化推力已經(jīng)讓大量合成生物研究中心和企業(yè)裝備“生物鑄造”設(shè)施，從而讓自動(dòng)化生產(chǎn)線可以在比人工操作大得多的規(guī)模上生產(chǎn)、測(cè)量以及優(yōu)化微生物。

生物鑄造廠正在讓合成生物學(xué)家開(kāi)始實(shí)施雄心勃勃的項(xiàng)目。麻省理工學(xué)院—博德研究院鑄造中心共同負(fù)責(zé)人Voigt舉了一個(gè)例子，他們利用與瑞士制藥公司——諾華的一項(xiàng)合作，生產(chǎn)了大量由人類(lèi)腸道中的細(xì)菌生成的分子。

一些生物學(xué)家對(duì)匆忙擴(kuò)展規(guī)模以及自動(dòng)化生產(chǎn)持懷疑態(tài)度，他們贊成側(cè)重理論驅(qū)動(dòng)的策略。但是SynbiCITE共同負(fù)責(zé)人Kitney認(rèn)為，自動(dòng)化在合成生物學(xué)發(fā)展過(guò)程中是不可避免的一步�！澳憧梢匝杆俚赝瑫r(shí)進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，以此了解哪些配置可以更好地發(fā)揮作用�！彼�說(shuō)。

最佳宿主

實(shí)驗(yàn)室普遍使用的模式生物，如啤酒酵母、大腸桿菌，都曾被合成生物學(xué)家“征用”。合成生物學(xué)很多突破性進(jìn)展都是用這些有機(jī)物實(shí)現(xiàn)的。例如，Keasling及其合作者2003年在加州共同成立的公司Amyris重新對(duì)啤酒酵母進(jìn)行了編輯，制作出抗瘧疾化合物青霉素。

但是這些普通的實(shí)驗(yàn)室有機(jī)物并不適合發(fā)展成工業(yè)化的規(guī)模。尋找更好的選擇方式讓科學(xué)家開(kāi)始搜尋更加模糊的地方�！霸絹�(lái)越多的科學(xué)家在嘗試神秘的有機(jī)物，我認(rèn)為啤酒酵母和大腸桿菌的使用量正在下降。”Voigt說(shuō)。

在一些地方，理想的選擇可能是那些能夠經(jīng)受?chē)?yán)酷生產(chǎn)狀況的有機(jī)物，Keasling說(shuō)�！翱赡苣阍诩庸ひ恍┯卸镜膿]發(fā)性物質(zhì)，因此你如果有一種有機(jī)物能夠在相對(duì)高溫下生成這種物質(zhì)，那么在制作它的時(shí)候，可能會(huì)將其煮沸�！笨茖W(xué)家還在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察是否能夠給微生物喂食碳而不是糖來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品。馬里蘭州合成生物學(xué)公司Intrexon正在利用以甲烷為食物的細(xì)菌，這是一種比以糖為基礎(chǔ)更加廉價(jià)、有效的碳基產(chǎn)品。

醫(yī)療細(xì)胞

涉及到醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，合成生物學(xué)家正在對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞而不是微生物進(jìn)行基因編輯。這種設(shè)計(jì)使細(xì)胞能夠生成對(duì)抗疾病的藥物，或是為那些患有糖尿病等代謝性紊亂的人進(jìn)行某些生理任務(wù)。但是基因編輯哺乳動(dòng)物細(xì)胞存在一系列的挑戰(zhàn)�！拔覀�?cè)诮湍阜矫鎿碛械墓ぞ咴诓溉閯?dòng)物細(xì)胞那里都沒(méi)有作用�！盨molke說(shuō)，“我們沒(méi)有足夠用于調(diào)節(jié)基因表達(dá)或蛋白修飾的激活子或是工具�！�

最早培育的工具是像腫瘤一樣、無(wú)限增殖的細(xì)胞株，其本質(zhì)上是有缺陷的，因此不能代表健康組織。來(lái)源于組織的原始細(xì)胞又很難培育及操作，不同種類(lèi)的細(xì)胞會(huì)讓構(gòu)建可用于整個(gè)機(jī)體的工具包的嘗試發(fā)生混亂�！霸谀I臟細(xì)胞中發(fā)揮作用的物質(zhì)不一定能夠在肺部或是肝臟中發(fā)揮作用�！比鹗柯�(lián)邦理工學(xué)院Martin Fussenegger說(shuō)。為了克服這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)正在編輯“人工基因電路”，它可以被植入宿主細(xì)胞的患病處。

修改基因也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。即便是“智能”基因編輯工具，如將目標(biāo)修改基因引入特定DNA位點(diǎn)的CRISPR-Cas9技術(shù)，也可能會(huì)帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。“我們對(duì)人體細(xì)胞的軌跡了解得仍然不夠，比如在哪里插入修改基因后不會(huì)產(chǎn)生干擾�！盕ussenegger說(shuō)。他的團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)引入鑲嵌在DNA合成回路中的被稱(chēng)為質(zhì)粒的基因網(wǎng)絡(luò)，而不是整體直接植入染色體的方法，探索是否能夠避免這種不必要的問(wèn)題。作為一項(xiàng)額外的預(yù)防措施，他用小鼠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)基本上是利用經(jīng)過(guò)基因工程編輯的、包裹在植入囊中的細(xì)胞，而不是對(duì)小鼠的組織進(jìn)行編輯。

目前，這一領(lǐng)域仍處于嬰兒期。實(shí)際上，最早的基因編輯回路案例在2000年初才開(kāi)始出現(xiàn)，其復(fù)雜程度令人生畏。盡管如此，越來(lái)越多從事傳統(tǒng)分子生物學(xué)研究的科學(xué)家都非常熱切地希望，能夠嘗試這種基因設(shè)計(jì)。從麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)家Ron Weiss的在線課程可以看出該領(lǐng)域的受歡迎度�！拔覀冇写蠹s1.4萬(wàn)人注冊(cè)�！彼�說(shuō)。

進(jìn)入該領(lǐng)域的大門(mén)帶來(lái)的利益可能非常巨大�！拔业膹氖碌倪@一領(lǐng)域，對(duì)于生物學(xué)可以做的事情來(lái)說(shuō)，其可拓展的前沿是無(wú)限的�！盨hetty說(shuō)，“那些新前沿在哪里打開(kāi)，只是技術(shù)到達(dá)哪一步的問(wèn)題�！�