2. 合成生物学的起源与发展

要深入理解合成，就要简单回顾合成的起源和发展。1910年，法国科学家Stephane Leduc最早提出合成生物学synthetic biology一词，但实际上与现在合成生物学的含义差距较大；1973年，波兰遗传学家Waclaw Szybalski在一次大会上提出了合成生物学的愿景，与现在合成生物学的含义比较相似；2000年，《开关》和《振荡器》两篇文章发表在《nature》上，学术界普遍认为自此正式拉开了合成生物学的序幕；虽然从文章名字来看像是与电子元器件相关，事实上也的确如此，科学家也正是把大肠杆菌改造成类似于电子元器件一样可以开关、像震荡器一样震荡，输出可以被人类任意操纵的绿色荧光蛋白信号。从2000年开始，有了包括线路工程、代谢工程、治疗应用等一系列技术上的第一次突破。  

图1. 合成生物学的发展

基因工程和合成生物学有一点类似，基因工程一个非常经典的例子是用大肠杆菌生产人胰岛素；在这之前，糖尿病病人需要的人胰岛素是从动物内脏中提取的，价格十分昂贵；后来研究发现胰岛素是一个非常简单的蛋白质，可以把分离出来的蛋白质DNA片段装载到载体上放入大肠杆菌后进行表达，最终实验非常成功，所以现在几乎所有的胰岛素都是类似的大肠杆菌生产的。虽然基因工程和合成生物学没有十分严格的区分，但是普遍而言基因工程算是上一代的生物技术，它涉及的改造基因会比较少；合成生物学是下一代的生物技术，会更加复杂、系统。

3. 合成生物学的思想

合成生物学有非常独特的思维方式。合成生物学是一门工程学科，其思想类似于利用零件基本相同的乐高积木去拼成各种各样想要的东西；合成生物学中的DNA就相当于乐高积木，而DNA 实际上就是ATGC四个碱基排列形成楼梯一样非常长的双螺旋结构，人类大概有三十亿个碱基；ATGC听上去很简单，但是需要找出它们之间的规律。科学家们发现有些是启动子（promoter）、有些是核糖体结合位点（RBS）、有些是编码区（coding region）、有些是终止子（terminator）；不同区域、不同ATGC的排列有不同的功能，科学家们想分离出ATGC特定的单元，确定好有特定功能的启动子序列等，把它们连起来可以成功表达出蛋白质。

图2. 乐高积木

将传统的工程设计与合成生物学的工程设计相比较也十分形象。传统的工程设计师通过利用齿轮、弹簧、电路来解决净化水资源的问题；而合成生物学家使用微生物、蛋白质和基因电路等生命工具来创建有用的生物系统。与传统的计算机相比， DNA是像电脑的电子元器件一样简单的原材料，组装启动子、RBS、编码区等可形成一个逻辑；更高级生命体内的代谢途径等与计算机里的模块类似，整个计算机相当一个完整的细胞个体，更多的网络就像细胞间的交流，这就是合成生物学非常重要的层级化思想。

图3. 传统工程设计与合成生物学的工程设计比较

与许多工程学一样，设计-构建-测试-学习-重设计（DBTL）也是合成生物学十分注重的一个循环和策略。但与其他学科不同的是要想好想要设计成什么样子，然后用生物学中各种手段，比如通过生物学的操作设计或改造微生物，测试是否真正得到目标微生物、确认参数是否正确、是否真正达到理想效果，然后进行各种分析和学习，收集到的数据可指导下一次设计，所以合成生物学基本策略就是DBTL不断地迭代和循环。

4. 合成生物学技术

确认合成生物学的思想后，那需要什么样的技术才能完成合成生物学呢？其实涉及到的合成生物学技术很多，根据DBTL循环举例，如设计中需要明确DNA的序列及其功能，确认DNA原件库，设计好基因线路，合成DNA序列后将其拼接起来；有时需要基因编辑的技术去改造，那么需要确认是否有参数需要检测；现在流行的自动化技术以及后续需要的建模、机器学习、AI等技术的介入能够更好的帮助我们完成下一次设计，除此之外还有其他非常重要的技术。 

4.1 DNA是生命的蓝图——读-写-改

在DNA的生命蓝图中挑选三个非常重要的部分，那就是DNA的读写改。本质上来说，绝大部分合成生物学的改造就是对DNA生命蓝图的操纵即读写改；读是DNA的测序；写是DNA的合成、拼接；改是DNA的编辑。

4.1.1 读——DNA的测序

1977年，科学家Sanger发明了DNA测序技术，但当时的DNA测序技术十分缓慢，不仅读的片段有限而且价格昂贵，此后一直在缓慢的发展中；1990年，美国科学家提出了人类基因组计划，目的是测出人类所有的DNA，这个计划与曼哈顿计划、登月计划并称三大计划。人类基因组计划的完成十分困难，在花费11年的时间、28亿美元后在2001年测出一个草图，但有一些高度重复的序列或非常困难的序列对于当时的技术而言不易测出；到2005年前后，二代测序技术发展起来，高通量技术使得测试的速度、通量大大提升但测试的价格大幅度下降，目前许多公司都可以测基因组且仅需几百美元；2014年前后，相比于二代测序技术，三、四代新技术的读长更长，可以测一些更长、高度重复的、结构变异的以及二代技术难以测的序列；因为技术在不断的发展，所以截止前几个月才把人类基因组全部测出。后续的微生物组计划、精准医疗、地球生物组计划等都需要大量用到测序技术，测出的序列可以供科学家分析、解读。

图4. 读—DNA测序

4.1.2 写——DNA的合成和拼接

现在如果想要得到DNA片段是十分简单的，排列好目标DNA的序列后提交到专门合成DNA的公司，公司完成合成工作。合成的大概步骤是用亚磷酰胺化学法合成一些短的片段，然后通过生物学手段将片段拼接起来后克隆到载体上，测试验证后即完成。如果要合成更大的生命体，可以用酵母体内重组拼接的方法；对于目前的技术而言，酵母体内拼接法真正合成更大的生命体还是比较困难的，希望未来可以更便捷地完成。现在绝大部分还是一代方法如化学低通量的ATGC的合成，且片段大小有限，片段过大会导致错误明显增加。目前，TWIST公司开发了二代高通量合成，可以在一颗微小的芯片上面合成数百万到数千万的不同DNA序列，因为一次合成的片段比较短，所以此法应用的领域有限；DNA Script公司完全抛弃了化学合成方法，用酶催化的方法连续拼接，这家公司的愿景是制造出可以一次拼成一个比较长的片段的一台仪器，方便合成生物学或其他领域的应用。

4.1.3 改-DNA编辑技术

大家非常熟悉DNA编辑技术应该是CRISPR，但在CRISPR之前还有一些技术如Meganuclease、ZFN、TALEN等，但是这些技术因为位点选择不够自由或切割蛋白特定的序列比较麻烦等缺点而不便使用，而被称为四代技术的CRISPR则没有这些缺点。

2012年，科学家Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna首次实现利用CRISPR/Cas系统在体外对DNA进行切割，即只要用一个比较短的RNA序列去引导Cas9蛋白就可以精准识别到想要切割的位置，切开特定位置的DNA后，如果不提供生物体内修复系统的模板就会产生其他的修复方式，即切开的位置会突变、失活；或提供一个同源重组的模板后进行精确修复。此技术可以精准地改变ATGC的序列。所以2020年的诺贝尔化学奖颁给了Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna，以表彰她们在基因编辑的开创性工作。CRISPR-Cas9在药物开发、疾病领域有着广泛前景，包括基因治疗在内绝大部分需要修改物种DNA时，基本都会用到 CRISPR技术。

图5. 基因编辑

5. 合成生物学应用

5.1 理解生命

Richard Feynman曾说过“如果我不能创造它，那我可能没有很好地理解它”。合成生物学就是这样一门学科，在创造中理解生命。美国科学家克雷格-文特尔几乎是模仿了原始的支原体又重新化学合成一个，但是后来他又进行了修改。他认为虽然支原体是非常简单的细菌，但是是否可以继续删掉无关的序列，测出至少存在多少个基因可以形成一个物种；在删除大概一半左右后，他发现大概473个基因可以形成一个活的生命体，如果再去掉基因支原体就无法存活。不过在实验中发现，其中149个基因的功能是未知的，所以他们仍在继续研究中。

5.2 细胞工厂

理解生命是合成生物学的一部分，结合产业界而言，合成生物学可作为一个非常好的细胞工厂。

几千年前，人们开始用微生物做各种各样的产品如啤酒、酸奶、味精等。合成生物学的到来极大拓展了细胞工厂的用处。本来不是微生物体体内的物质而是植物或动物的化合物都可以让微生物去大量生产，这是因为所有的生命体都是起源于同一个生命体，丰富多彩的生命世界拥有相同的起源。也因此生命的法则都是中心法则，可以应用同样的规律；解释产生有些物种里面特有的化合物的途径，本质上就是哪些酶参与了哪些特定的DNA序列是最关键的，将DNA序列放到快速生长的微生物里面就可以大量合成特定化合物。甚至有人开始做非天然的物质如创造一些新化合物，这都是有可能的。

5.2.1 药物

如青蒿素、阿片类和大麻类等本身是特殊植物产生的药物分子，合成途径和结构复杂，但科学家已经可以获取到相应DNA序列的信息并且在酵母中合成。

5.2.2 材料

石油化工来源的塑料为人类提供了非常大的便利，但是其难以降解性也带来诸多困扰，不过现在已经有很多地方可以买到聚乳酸生产的塑料袋，其生产过程大概是利用玉米、秸秆等可再生原材料提取一定成分后进行糖化，糖化后利用产生乳酸的微生物进行发酵、生产，提取乳酸后通过化学反应将乳酸聚合变成聚乳酸即PLA，然后做成母粒进行加工或者改性，生产各种各样的可降解材料；这些材料可回收，放到自然界堆肥后又变成水合二氧化碳释放到大气中，整个过程完全不需要化石能源和原料，这些材料因可再生而形成循环。

图6. 聚乳酸

5.2.3 能源

如蓝细菌等藻类微生物不需要葡萄糖等碳源，只需要吸收空气中的二氧化碳生产某些东西，通过改造蓝细菌让它生产乙醇等低级醇类或一些油脂类的能源后可以拿来使用，此法可以直接使用空气中的二氧化碳进行生产。十几年前此方法曾经十分火热，但是因为石油价格低廉，生物能源技术还不成熟，所以任重道远。

5.2.4 食品

Impossible Food是一家2011年成立于加州的人造肉公司，通过使用工程改造后的酵母菌进行生产血红素，将其添加在大豆或豌豆的蛋白中，使得人造肉外观更有类似真肉的血淋淋的颜色，味道更香，经过特殊的加工可以制成如汉堡等各种各样的食品。理论而言，如果应用此技术取代部分畜牧业，可减少二氧化碳的排放量从而改善环境。

5.2.5 消费品

Amyris公司曾经生产过青蒿素、航空燃料法尼烯、可应用于护肤品和mRNA疫苗的角鲨烷、角鲨烯等物质，也做过香水的成分广藿香、比蔗糖甜300-500倍的零卡甜味剂瑞鲍迪甙M等。这家公司制作了药物、燃料以及各种各样的消费品，也建立很多品牌如Biossance、Pipette等。好像这些产品都是不同的化合物，但实际上它们都是用酵母去生产的一类萜类化合物。

5.2.6 医疗

目前为止，很多如癌症、遗传、代谢类疾病还没有任何药物可以治愈，那是否可能用经过改造的体内肠道微生物去治疗。举个简单的例子，有一些基因中有缺陷或遗传突变的苯丙酮尿症患者，因肝脏中的苯丙胺酸氢化酶缺乏或失活会造成苯丙氨酸难以代谢而持续积累，长时间会危害健康；肠道内存在多种微生物，如果把益生菌加入到表达酶的基因中则可以帮助病人代谢掉苯丙氨酸。Synlogic公司正在不断尝试此法，研究进度进行到三期临床，希望可以早日投入临床使用。

5.2.7 农业

农作物需要施磷肥、氮肥等，但过度施肥对土壤等方面都存在不利影响；空气中百分之七十八是氮气，如果可以让植物利用空气中的氮气，减少氮肥的使用就可以减少对土壤的危害。有一些如豆科类的特殊植物，会与一些特殊的微生物形成根瘤而可能不需要施氮肥，这些微生物帮助固定空气中的氮气，输送给豆科类的植物应用。Pivot Bio公司希望能够改造一些微生物去固定氮，扩大微生物施氮肥的逻辑，让更多的农作物可以应用到这种特殊的微生物，此领域十分火热。

5.2.8 信息储存

生命体储存生命的信息，那就可能储存一些本来是硬盘里面储存的信息。细菌的DNA可以存放一百年的时间，保存得当可长达几万年至几亿年，如几千年前灭绝的西伯利亚猛犸象仍然可以全部测出它的单一DNA。另外一个非常重要的是数据密度非常高，全世界所有的数据只要用一公斤的DNA就可以储存下全世界的数据，这个是不可思议的。未来越来越爆发式增长的数据会导致硬盘无法存储，所以现在包括微软、华为在内的许多公司都在做DNA储存。科学家们用DNA储存了各种各样的信息，包括歌曲、文字、书、动图、视频等，如维基百科的数据、开国大典的视频等。

5.2.9 艺术

图7. 微生物艺术作品

这是一幅人工改造的大肠杆菌的画。大肠杆菌可以响应不同波长的光，不同波长光响应后会对应生产一些特定的物质而产生颜色。我们看到的这幅画就是大肠杆菌通过不同波长的光照射上去产生的。

5.2.10 自动化、AI、平台

目前来说，生物系统的行为是难以预测，它不像物理或化学那么快速、直接，生物学还有很多难以琢磨的地方，所以科学家们希望能够把自动化、机器学习引入进来，去收集更多的数据、完成更多的实验以及高通量测试，加深对数据的理解，进而希望能够对生命体有越来越快速、越来越好的设计和理解。Ginkgo是一家打造合成生物学平台化的公司，拥有自动化、高通量的菌株筛选平台，也与农业、医疗等各种领域的公司合作，他们孵化了很多企业，希望可以用这个平台去实现各种各样菌株的改造。

6.合成生物学的未来

合成生物学会有广阔的前景。回顾过去20多年合成生物学产业界的融资情况，就会发现近几年才是爆发式增长，2021年得到了接近180亿美元的融资额度。麦肯锡预测在未来三十年整个合成生物学产业会增长三到五万亿美元产值，这个产值可以与石油化工领域的产值一较高下，也远远高于现代电动汽车、智能手机等领域。

麦肯锡总结包括人类健康、农业、水产养殖、食品、消费品、材料化学品等各种各样的领域都有可能用到合成生物学，但是合成生物学的工具仍不完备，仍然需要大量改进的工作和开发大量新技术，帮助DBTL循环的加速、完善。合成生物学产业与其他产业一样，会有两个难以逾越的死亡之谷即从研发到原型、原型到市场，造成的原因可能是资金、工具，人才、数据等。现在合成生物学仍然面临着产业化困难的问题。

希望更多的人才能够参与进来，在死亡之谷上架起桥梁。 

图8. 麦肯锡预测的合成生物学产业增长

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问答环节

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