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)對這種微生物的基因重新進(jìn)行編輯，美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家ChristinaSmolke使其精確地擁有了這一功能，Smolke團隊用糖作為一種原料，將酵母轉變成了一個(gè)“生物工廠(chǎng)”，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)家對細胞進(jìn)行了重編程，復制出自然界中發(fā)現的物質(zhì)，甚至是生成了自然界有機物從未正式生成過(guò)的物質(zhì)。

　　合成生物學(xué)家雄心勃勃。“我們都喜歡想象這樣一個(gè)世界，在那里我們能夠用生物學(xué)方法，反復、快速地按需生產(chǎn)任何產(chǎn)品。”伊利諾伊州西北大學(xué)合成生物學(xué)家MichaelJewett說(shuō)。全球各個(gè)團隊正在通過(guò)基因編輯酵母、細菌和其他細胞，制作塑料、生物質(zhì)能源、醫藥以及纖維，其目標是建立比工業(yè)同行更加廉價(jià)、簡(jiǎn)便、可持續的生命工廠(chǎng)。例如，日本鶴岡市生物材料公司Spiber，已經(jīng)通過(guò)重新編程細菌加工出蛛絲，可用于制作堅韌且輕便的冬裝。

　　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，從而制作非常復雜的結構。這些新領(lǐng)域已經(jīng)擁有一些成功的案例，但是當前把基因組件結合在一起，需要大量的推測，其中具有相當大的不確定性。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成一致。

　　由于DNA基因測序價(jià)格的大幅下降，合成生物學(xué)家可以通過(guò)大量基因數據選擇有用的基因。“生物學(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。”麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)家ChristopherVoigt說(shuō)。其中的一個(gè)領(lǐng)先數據庫，如美國國家生物技術(shù)信息中心的基因庫，就包含著(zhù)超過(guò)1.9億個(gè)來(lái)自10萬(wàn)個(gè)有機物的DNA序列。

　　擁有無(wú)數合成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對這樣的前景抱有極大熱情：“生物學(xué)讓人著(zhù)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)便的設計途徑。”如果要實(shí)現設定的工業(yè)目標，那么基因組件就必須具備始終如一的特點(diǎn)。“總體來(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。”英國倫敦帝國學(xué)院系統與合成生物學(xué)研究所負責人RichardKitney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，因為如果要進(jìn)行工業(yè)轉化，就必須擁有可復制性。”

　　美國國家標準和技術(shù)中心（NIST）去年3月啟動(dòng)了合成生物學(xué)標準聯(lián)盟，其目的是在學(xué)術(shù)機構和工業(yè)界使合成生物學(xué)設計、記錄以及組裝過(guò)程標準化。在英國，Kitney也在協(xié)調類(lèi)似工作，DICOM（醫學(xué)數字成像和交流）的醫學(xué)信息共享標準將會(huì )擴展到包括合成生物學(xué)在內。與此同時(shí)，一個(gè)國際團隊已經(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準詞匯。

　　細胞軟件

　　由于自動(dòng)化程度的提高，現在制作合成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)提供復雜的、像計算機一樣的行為仍是一項挑戰。“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。因為DNA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。”Voigt說(shuō)。

　　即便是仔細設計的電路也可能發(fā)生故障，導致生物電路內部基因元素之間不希望的基因表達或是干擾，而這樣的后果在計算機模型中很難預見(jiàn)。“合成生物學(xué)界在很大程度上就像是在一個(gè)我們難以預測結果的世界里工作，當我們在構建它們的時(shí)候，不知道系統內部會(huì )發(fā)生什么。”馬薩諸塞州波士頓銀杏生物工作室共同創(chuàng )始人ReshmaShetty說(shuō)。

　　這種不確定性意味著(zhù)，通過(guò)基因工程編輯一個(gè)合成系統的很多步驟需要進(jìn)行測試和優(yōu)化。從建造人工DNA到將其插入一個(gè)微生物體，軟件工具和機械系統正在加速這一過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節。“你可以利用高通量原型構建每個(gè)變量，并抱著(zhù)它們中總有一個(gè)能夠達標的期望。”該領(lǐng)域先驅、加州大學(xué)伯克利分校生化工程師JayKeasling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”設施，從而讓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)可以在比人工操作大得多的規模上生產(chǎn)、測量以及優(yōu)化微生物。

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

　　一些生物學(xué)家對匆忙擴展規模以及自動(dòng)化生產(chǎn)持懷疑態(tài)度，他們贊成側重理論驅動(dòng)的策略。但是SynbiCITE共同負責人Kitney認為，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。“你可以迅速地同時(shí)進(jìn)行一系列的實(shí)驗，以此了解哪些配置可以更好地發(fā)揮作用。”他說(shuō)。

　　最佳宿主

　　實(shí)驗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)展都是用這些有機物實(shí)現的。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)驗室有機物并不適合發(fā)展成工業(yè)化的規模。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。“越來(lái)越多的科學(xué)家在嘗試神秘的有機物，我認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)揽嵘a(chǎn)狀況的有機物，Keasling說(shuō)。“可能你在加工一些有毒的揮發(fā)性物質(zhì)，因此你如果有一種有機物能夠在相對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。”科學(xué)家還在進(jìn)行實(shí)驗，觀(guān)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菌，這是一種比以糖為基礎更加廉價(jià)、有效的碳基產(chǎn)品。

　　醫療細胞

　　涉及到醫療應用領(lǐng)域，合成生物學(xué)家正在對哺乳動(dòng)物細胞而不是微生物進(jìn)行基因編輯。這種設計使細胞能夠生成對抗疾病的藥物，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)物細胞存在一系列的挑戰。“我們在酵母方面擁有的工具在哺乳動(dòng)物細胞那里都沒(méi)有作用。”Smolke說(shuō)，“我們沒(méi)有足夠用于調節基因表達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)源于組織的原始細胞又很難培育及操作，不同種類(lèi)的細胞會(huì )讓構建可用于整個(gè)機體的工具包的嘗試發(fā)生混亂。“在腎臟細胞中發(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。”瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院MartinFussenegger說(shuō)。為了克服這一問(wèn)題，該團隊正在編輯“人工基因電路”，它可以被植入宿主細胞的患病處。

　　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)不可預測的結果。“我們對人體細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。”Fussenegger說(shuō)。他的團隊正在通過(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。作為一項額外的預防措施，他用小鼠進(jìn)行的實(shí)驗基本上是利用經(jīng)過(guò)基因工程編輯的、包裹在植入囊中的細胞，而不是對小鼠的組織進(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，其復雜程度令人生畏。盡管如此，越來(lái)越多從事傳統分子生物學(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計。從麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)家RonWeiss的在線(xiàn)課程可以看出該領(lǐng)域的受歡迎度。“我們有大約1.4萬(wàn)人注冊。”他說(shuō)。

　　進(jìn)入該領(lǐng)域的大門(mén)帶來(lái)的利益可能非常巨大。“我的從事的這一領(lǐng)域，對于生物學(xué)可以做的事情來(lái)說(shuō)，其可拓展的前沿是無(wú)限的。”Shetty說(shuō)，“那些新前沿在哪里打開(kāi)，只是技術(shù)到達哪一步的問(wèn)題。”