天空中的飛鳥,、陸地上的走獸、碧海里的游魚,、色彩斑斕的花草樹木……,，不同的生命形式組成了多姿多彩、生機勃勃的大自然,。鳥的下一代之所以是鳥而不會是魚,，是由于在每個生命體內(nèi)都存在著一種叫做“DNA”的遺傳物質(zhì)，DNA決定了生命的呈現(xiàn)方式,，會隨著物種延續(xù)而傳遞到子代,，這就從生物學(xué)的角度解釋了“有其父必有其子”的必然性。從沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)到二十世紀(jì)三大科學(xué)計劃之一的人類基因組計劃完成,，人們對生命本質(zhì)的了解進入了新的紀(jì)元,。

分子生物學(xué)、基因工程以及測序等生物技術(shù)日新月異的發(fā)展,，使得人類開始了解DNA如何促使生物細(xì)胞發(fā)揮功能,，并且逐漸通過改造基因，讓自然界的生物為人類的健康生活所需的物質(zhì),、環(huán)境“添磚加瓦”,。然而科學(xué)家在對DNA的功能研究過程中，發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)太過復(fù)雜,，嚴(yán)重阻礙了對系統(tǒng)的全面透徹理解及后續(xù)的應(yīng)用,。21世紀(jì)初,，科學(xué)家從工程學(xué)的角度出發(fā)，探索一種新的針對DNA可以像搭積木一樣標(biāo)準(zhǔn)化操作的生物技術(shù),，由此產(chǎn)生了一個新的科學(xué)領(lǐng)域——合成生物學(xué)（synthetic biology）。

“合成生物學(xué)”一詞首次出現(xiàn)在1911年的《Science》雜志,，但直到2000年才開始在國際科研界漸漸傳開。2010年橫空出世的人造生命“Synthia”（首個完全人工合成的支原體生命）,，將名不見經(jīng)傳的合成生物學(xué)擺在聚光燈下,。雖然引起了巨大爭議，但也因此迅速成為全世界新的科學(xué)研究熱點,，潛在的應(yīng)用價值促使預(yù)言家認(rèn)為其將催生下一次生物經(jīng)濟浪潮,。

發(fā)展神速的合成生物學(xué)究竟是什么？學(xué)界眾說紛紜,，目前為止還沒有一個統(tǒng)一的定義,。由眾多研究室組成的“合成生物學(xué)國際聯(lián)盟組織”(http://www. )給出的釋義是：（1）設(shè)計和構(gòu)建新的生物功能元件、裝置和系統(tǒng),；（2）根據(jù)特定的目的,，重新設(shè)計已有的天然生物系統(tǒng)。通俗來講,，就是將工程化理念運用到生物學(xué)研究中,，人為地將DNA按功能區(qū)分（如啟動子、終止子等等）,，如同電腦部件（如CPU,、硬盤、風(fēng)扇等）一樣將其設(shè)計改造成具有標(biāo)準(zhǔn)接口的DNA片段,，稱之為標(biāo)準(zhǔn)化的功能元件,；按照最終要達(dá)到的目標(biāo)，選擇適宜的功能元件,，像組裝電腦一樣組裝成生物裝置或系統(tǒng)（生物系統(tǒng)要比生物裝置更為復(fù)雜）,，再轉(zhuǎn)入細(xì)胞后行使特定的功能。由此可見,，通過合成生物學(xué),，既能設(shè)計改造已有天然生物系統(tǒng)，又能從頭合成全新的系統(tǒng),，進一步強化了生物系統(tǒng)的可塑性,，拓展了應(yīng)用范圍。

事實上,，現(xiàn)階段以計算機,、數(shù)學(xué),、分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等眾多學(xué)科為基礎(chǔ)的合成生物學(xué),，經(jīng)常被與較為成熟的基因工程混淆,。合成生物學(xué)重在設(shè)計、從頭合成,，操作范圍廣,。典型的例子是首個人工生命“Synthia”，科學(xué)家以蕈狀支原體基因組為模板,，重新設(shè)計并組裝了基因組序列（縮短至108萬個堿基對）,，移植到山羊支原體細(xì)菌空殼內(nèi)（細(xì)菌本身基因組被移除），得到具有生命活性的“Synthia”,。有趣的是,，參與人員的姓名和不少名言都以“水印”序列的方式留在了“Synthia”的基因組中，頗具藝術(shù)氣質(zhì),。而基因工程是人為改變生物基因組序列最為常用的一種方式,，由此賦予它們更優(yōu)良的特性滿足人類的需求，例如“轉(zhuǎn)基因”,?；蚬こ讨荒茚槍讉€基因去操作，轉(zhuǎn)基因的抗蟲棉依然是棉花,，并沒有改變物種本身,。如果將生物體比喻成一臺復(fù)雜的電腦，那么基因組可以認(rèn)為是這臺電腦的操作系統(tǒng),。合成生物學(xué)給山羊支原體細(xì)菌重構(gòu)了操作系統(tǒng)而成為“Synthia”,，跨越了物種的界限，如果換成基因工程卻只能更換其中數(shù)個軟件,。

合成生物學(xué)與基因工程對改變物種的作用比較

合成生物學(xué)在前進的道路上，開始只能改造幾個基因構(gòu)成基因線路這種小的生物裝置,、全合成病毒和細(xì)菌等原核生物基因組,，如今已經(jīng)進軍單細(xì)胞真核生物（釀酒酵母）基因組領(lǐng)域。2016年,，科學(xué)家們更是將合成多細(xì)胞復(fù)雜真核生物基因組（如線蟲,、擬南芥等）提上日程。生物系統(tǒng)的復(fù)雜度決定了其“為我所用”的難易程度,，合成生物學(xué)倚仗化繁為簡的神奇魔力,，終將成為改變未來世界的利器。

合成生物學(xué)的代表性事件

1. 探索生命起源

生命源于何處,？隨著自然科學(xué)的進步,，各種假說層出，比較著名的是達(dá)爾文的《物種起源》和以米勒實驗為基礎(chǔ)的化學(xué)起源假說,。合成生物學(xué)也在為解答這個問題做著努力,。2016年，美國的麻省理工大學(xué)Adamala等人在《Nature Chemistry》撰文,，稱其團隊構(gòu)建的一種人工合成細(xì)胞（簡稱Synell）中,，可以將設(shè)計的不同遺傳線路置于細(xì)胞中的特定分隔區(qū)內(nèi)，使得遺傳線路之間不相互干擾,，以并聯(lián)的方式各自發(fā)揮功能，又能在外界信號的刺激下串聯(lián)形成更復(fù)雜的系統(tǒng),，最終協(xié)同作用生成目標(biāo)藥物分子,。雖然Synell只能解讀DNA和合成蛋白質(zhì)，并不具備正常細(xì)胞的其他功能,，但是卻可以用來模擬地球早期生物的行為,，幫助揭開生命起源之謎。

Katarzyna P. Adamala, et al. Nature chemistry, 2016

2. 人造生命的開始

    “上帝造人”,、“女媧造人”的傳說流傳經(jīng)久,，雖不可考，卻也是最廣為人知的人類起源故事,，那么人類能不能“代替”神創(chuàng)造生命呢,？合成生物學(xué)給了我們答案。2016年,，基因組學(xué)先驅(qū),、合成生物學(xué)的頂級學(xué)者Craig Venter，繼2010年創(chuàng)造了首個人工生命“Synthia”之后,，又一力作問世,，設(shè)計合成了自然界中存活的最小細(xì)菌基因組（命名為“JCVI-syn3.0”），此細(xì)菌細(xì)胞叫做“Synthia 3.0”,。 Synthia 3.0是“Synthia”的升級版本,，含有維持生命活動的基本功能基因。但是所有473個基因中仍有近1/3的基因功能未知,，可見基因組還有刪減的余地,，“活下來”最少只需要哪些基因？未來4.0,、5.0版本細(xì)菌的誕生不會太遠(yuǎn),。

Clyde A. Hutchison III, et al. Science, 2016

3. 醫(yī)療模式的轉(zhuǎn)變

無處不在的細(xì)菌與人類的關(guān)系非常復(fù)雜，既能致病又能治病,。合成生物學(xué)充分利用細(xì)菌的特性,，加以改造,，使其成為疾病治療的得力助手。Din等人（Nature ,，2016）開發(fā)了一種“群體感應(yīng)”基因線路,，控制藥物的生產(chǎn)釋放。在這個系統(tǒng)中,，LuxI酶催化合成?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL），AHL可與LuxR蛋白結(jié)合,，激活群體感應(yīng)基因表達(dá),。當(dāng)細(xì)菌密度低時，LuxR表達(dá)量少,，合成的AHL擴散到胞外,，隨著細(xì)菌密度的提高，造成胞內(nèi)外的AHL產(chǎn)生濃度差,，AHL可以自由的進出細(xì)胞,，引起胞內(nèi)開始累積AHL，達(dá)到閾值時,，AHL與LuxR結(jié)合激活PluxI啟動表達(dá)產(chǎn)出LuxI酶,、藥物、熒光蛋白（標(biāo)記細(xì)菌動態(tài)）,、裂解蛋白E,。在腫瘤小鼠測試中，含上述系統(tǒng)的細(xì)菌注射進小鼠患病組織后,，隨著細(xì)菌密度的增加,，“群體感應(yīng)”基因線路啟動，會自發(fā)地裂解釋放藥物,，行使運輸藥物治療疾病的功能,，并且會保留少部分的細(xì)菌進入下一循環(huán)。細(xì)菌群體受相同環(huán)境中AHL濃度的影響,，體內(nèi)系統(tǒng)可以保持同步運行,。實現(xiàn)了同步周期性的裂解細(xì)菌和傳遞藥物。相對而言,，這種周期性藥物釋放的治療方式對需要定期服藥的病患更有益處,。

Zhou. Nature, 2016

4. 制造方式的改變

在現(xiàn)代化工業(yè)與日益嚴(yán)重的環(huán)境污染發(fā)生不可調(diào)和的矛盾時，生物制造開創(chuàng)了一條經(jīng)濟環(huán)保的光明之路,，合成生物學(xué)的出現(xiàn)已經(jīng)改變傳統(tǒng)生物制造方式,。2016年，巴西科學(xué)家Paulo Lee Ho從銀環(huán)蛇編碼蛇毒五種毒素的DNA片段入手，設(shè)計了一種短鏈DNA,，在將其添加到小鼠體內(nèi)后啟動小鼠自身的免疫系統(tǒng),，產(chǎn)生抗銀環(huán)蛇毒液的抗體。經(jīng)過驗證,，注射了致命劑量的銀環(huán)蛇毒液后,，再接受抗體治療，60%的小鼠能夠幸存下來,。雖然目前的研究還需要改進,，但也表明抗蛇毒抗體藥物還有其他獲取途徑，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的給大型動物注射純化的蛇毒蛋白,，再收集包含有抗體的血液的方式,。

Carrie Arnold. Nature. 2016

5. 環(huán)境治理

現(xiàn)代化工業(yè)在給我們帶來舒適生活的同時，危害也逐漸顯現(xiàn),，溫室效應(yīng)正成為全球性的嚴(yán)重問題,。溫室效應(yīng)是大量燃燒煤炭、燃油而排放到大氣中的CO2和其他溫室氣體造成的,，所以節(jié)能減排是一種減緩方式，而加速消耗CO2是另一種改善辦法,。自然界中植物利用光合作用將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟惿钏匦璧奈镔|(zhì),，例如食物、化工品的原材料等,，然而僅僅靠光合作用顯然難以緩解全球變暖的步伐,。Thomas Schwander等人利用合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建了一種體外循環(huán)固定CO2的系統(tǒng)（簡稱CETCH系統(tǒng)），期望對解決全球溫室效應(yīng)有所幫助,。CETCH系統(tǒng)由來源于9種生命體的17種蛋白酶構(gòu)成,，其中巴豆酰輔酶A羧化酶/還原酶固定CO2的速率比植物中的核酮糖-1，5-二磷酸羧化/加氧酶（rubisco）快20倍,。CETCH系統(tǒng)最終產(chǎn)物為乙醛酸,，可以用作化工品的原材料，轉(zhuǎn)化為生物燃料和制藥,。

Sarah Everts, Chemical & Engineering News, 2016

Thomas Schwander, et al. Science. 2016