合成生物制造的“魔力”

2010年，在美国文特研究所，由克雷格·文特带领的研究小组成功创造了一个新的细菌物种——“Synthia”。他们将细菌A的细胞核消除。将细菌B的DNA序列解码并拷贝到电脑中，然后通过人工合成的方法（形象地说，就是用基因打印机把这个DNA序列打印出来），将细菌B的DNA重新制作出来并添加到细菌A的细胞中并激活它。克雷格还在这条新的DNA中加入了“水印”（就像他们的电子邮箱地址），以便于日后的辨认与区分。“水印”的作用是让重新获得DNA的细胞A有制造蓝色色素的能力，由于原始的细胞A不具有产生色素的能力（所以是白色的），新合成的细胞A会很容易被辨认出来。

于是，在花费了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，世界上第一个由纯人工合成创造的细菌物种诞生了。这一“验证理论”的实验结果为众多正在探讨和进行类似项目研究的科学家们打了一剂定心针，因为克雷格证明了人工创造物种的可能性与实践性。

与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同的是，合成生物学的研究方向完全是相反的：它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。重塑生命，这正是合成生物学这一新兴科学的核心思想。

新生命的合成

可以说，人类今天的衣食住行能够得到满足，以石油工业为基础的化学合成功不可没。然而，随着工业化进程的加快，问题也接踵而至。为了缓解环境及能源危机，生物资源的潜在利用价值越来越多地被挖掘出来。以生物质为原料或以生物体机能进行大规模物质加工与转化的生物制造业，成为各国的战略重点。

而在诸多生物制造的关键技术中，合成生物学由于能够根据人类需要重塑生命体，成为最具诱惑力的研究领域。合成生物学是将分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法。它就像一个能够提供成套遗传基因组件的“工具箱”，可以将生物学版本的“晶体管”和“开关”随心所欲地插接到“生物电路”上。

合成生物学强调的是“设计”和“重设计”。一方面，设计和建造新的生物零件、装置和系统；另一方面，根据实际需要，重新设计已有的天然生物系统。而“新生命的合成”也是合成生物学的关键，通过新生命的合成扩大生命的能力，更好地为人类服务。

合成生物学具备重塑工业生产方式的潜力，与商业化距离极近。例如，现在科学家正在试图创造的“细菌药厂”、“细菌油田”，或者让人造细菌去攻击癌细胞以及处理环境污染，都需要合成生物学的参与。

总的来说，合成生物学给未来指明了一条提高工业生物技术竞争力、降低生物制造成本、改造生命体的可能的道路。

技术发展提速

合成生物学目前还处于襁褓中，状况与计算机在上世纪50到60年代的处境比较类似，但插上新技术的翅膀之后，这一领域成长快速，到2018年，该领域的产值可能达到56亿美元，而2013年的产值仅为19亿美元。

目前，合成生物学已经在生物医药、生物能源、化工品、环保等领域“大施拳脚”。国际上最为成功的案例莫过于美国加州大学教授Keasling工业化合成青蒿素这一经典之作。

青蒿素是中国人首先发现的抗疟疾良药，由于天然的青蒿素需要从青蒿中提取，工艺复杂且成本较高，产量也十分有限。而Keasling利用合成生物学手段，在大肠杆菌和酵母中合成出青蒿素的前体物质——青蒿酸，大幅增加了青蒿素产量，也使得每一剂量的药品成本从10美元降至不到1美元。

与很多合成生物学公司一样，美国银杏生物工作室目前的主要研制对象是食品和化妆品行业需要的原料。就像用酵母来酿酒一样，该公司研究人员正在利用微生物制造香料、营养品以及香水。他们的野心当然不止制造产品那么简单，他们正与美国国防部高级计划研究局合作，制造能对抗疾病并祛除空气中温室气体的微生物。这是一个极其严苛的挑战，不过，这些工程师们认为，通过在从食品到碳减排等复杂程度各异的领域内应用其技术，他们能使这种生物制造方法更可靠、更可预测，并成为制造汽车或手机的生产线。

基因代码作用更可预测

一种植物如何自组装并使用水、空气和阳光来制造食物，与人们如何制造电子产品一样充满想象力。生物工程师们希望利用生物学的强大力量设计出新技术。他们正在撰写新代码，将生物学从无法预知的地方带入可预测的王国。

银杏生物工作室是其中的翘楚，其他还有如总部位于加州的合成基因公司、关注健康与延长寿命的人类长寿公司等。这些公司正在利用合成生物学的“魔力”，改变人们对于生命的认识。他们的主要做法是对微生物进行遗传修改，让其变成真正可以预测的工程学原则。

由于DNA内包含有生物体内不断重复的碱基对序列，研究人员正在用这些代码，构建新操作系统和应用所需要的工具和基础设施。其实，长时间以来，计算机程序员一直在做这样的事情：使用0和1来预测很多事情的结果，如飞机自动驾驶系统、信用卡交易处理过程等。

因为自然的复杂性，生物学代码迄今还无法像计算机代码那样提供精准的预测。所以，数十年来，生物学家、遗传学家以及化学家们一直在试图揭开遗传学的秘密，希望能借此制造一种通用的生物编程语言，从而让微生物采用可预测的方式执行特定功能。在过去几年，科学家们在这方面取得了令人欣喜的突破，他们学会了如何编写DNA代码。不过，使这种代码更具预测性需要花费时间。

目前，科学家们正尝试在似乎不可能的地方开始应用这些技术，例如，在制造天然香料和香水的过程中。

在传统方法中，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。但银杏生物工作室科学家们采用的方法则大相径庭，他们会从玫瑰花中提取基因，将其变成酵母后在发酵桶中培育生产出玫瑰精油，这一过程类似于酿造啤酒。研究人员表示，可以对这一过程进行升级，让其自动对生物细胞进行编程，如此一来，研究人员就可以专注于设计定制细胞解决特定问题了。

合成生物学的另一应用则旨在为人类解决一个棘手的问题：对抗生素产生耐药性的超级细菌。英国惠康基金会的最新报告指出，每年有70万人死于抗生素耐药性。而且，大型医药公司也在慢慢剥离抗生素的研发工作。现在，研究人员想到了新的解决办法：通过对能对付并移除拥有抗生素抗性等有害特征的细菌进行修改重组，从而设计出新型益生菌。

仍面临挑战

实际上，基于合成生物学的生物制造业多数还未完全实现，由于生命分子的运作机制极为复杂，要想操纵它远不是操纵扳手、螺丝刀或晶体管那样简单，合成生物学发展的每一段过程都面临着挑战。

目前，生物学对结构复杂的生物个体以及生物机理的认识还都不够充分。另外，由于用于生物制造的生物元件标准化未完善，生物模块之间及模块与“底盘”细胞之间的兼容性都不可预测，复杂性也难以处理。也就是说，许多生命“零部件”的特征和功能都尚未得到清楚的描述，比如它们的功能是什么，在不同类型的细胞内，或在不同的实验室条件下，它们是否会有不同的表现等等。

同样，即使每个生物零部件的功能都已知晓，但将它们组合在一起后，其功能也不一定就如预期那样。与其他可预测性更强的现代工程学科的设计过程相比，合成生物学家往往必须埋头于烦琐的试错过程中。

总而言之，为了解决我们目前面临的最大挑战，应该将合成生物学推上科学舞台的前台，它将大放异彩，采用前所未有的办法解决人类面临的难题。