日本公司Spiber對細菌進行了重編程，用來制作生產(chǎn)服裝的蛛絲。

從進化的角度講，酵母與制作止痛劑可謂風(fēng)馬牛不相及。但是通過對這種微生物的基因重新進行編輯，美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家Christina Smolke使其地擁有了這一功能，Smolke團隊用糖作為一種原料，將酵母轉(zhuǎn)變成了一個“生物工廠”，生產(chǎn)出了有效的止痛劑*。

這是合成生物學(xué)的有名案例之一。在此過程中，科學(xué)家對細胞進行了重編程，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物從未正式生成過的物質(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。”伊利諾伊州西北大學(xué)合成生物學(xué)家Michael Jewett說。各個團隊正在通過基因編輯酵母、細菌和其他細胞，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、簡便、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，其中具有相當(dāng)大的不確定性。為了促進該領(lǐng)域的進步，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策略達成一致。

由于DNA基因測序價格的大幅下降，合成生物學(xué)家可以通過大量基因數(shù)據(jù)選擇有用的基因。“生物學(xué)給我們提供了一個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Christopher Voigt說。其中的一個數(shù)據(jù)庫，如美國國家生物技術(shù)信息中心的基因庫，就包含著超過1.9億個來自10萬個有機物的DNA序列。

擁有無數(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對這樣的前景抱有極大熱情：“生物學(xué)讓人著迷的一點是，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zui簡便的設(shè)計途徑。”如果要實現(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。“總體來看，生物學(xué)面臨的一個關(guān)鍵問題是，缺乏可再生能力。”英國倫敦帝國學(xué)院系統(tǒng)與合成生物學(xué)研究所負責(zé)人Richard Kitney說，“合成生物學(xué)領(lǐng)域的這個問題*讓人難以接受，因為如果要進行工業(yè)轉(zhuǎn)化，就必須擁有可復(fù)制性。”

美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)中心(NIST)去年3月啟動了合成生物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，其目的是在學(xué)術(shù)機構(gòu)和工業(yè)界使合成生物學(xué)設(shè)計、記錄以及組裝過程標(biāo)準(zhǔn)化。在英國，Kitney也在協(xié)調(diào)類似工作，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)將會擴展到包括合成生物學(xué)在內(nèi)。與此同時，一個團隊已經(jīng)開發(fā)了SBOL(合成生物學(xué)開放語言)，為研究人員提供描述基因組件和電路的標(biāo)準(zhǔn)詞匯。

細胞軟件

由于自動化程度的提高，現(xiàn)在制作合成DNA組件比以前更加簡便和容易。但是將哪些部分相連，形成可以協(xié)同工作的基因電路，用來提供復(fù)雜的、像計算機一樣的行為仍是一項挑戰(zhàn)。“任何時候，在生理上連接DNA時，你都是在那個界面上創(chuàng)建一個新序列。因為DNA的信息含量是如此之大，你能夠以此創(chuàng)建一個新的啟動子或是改變RNA的開端。”Voigt說。

即便是仔細設(shè)計的電路也可能發(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或是干擾，而這樣的后果在計算機模型中很難預(yù)見。“合成生物學(xué)界在很大程度上就像是在一個我們難以預(yù)測結(jié)果的世界里工作，當(dāng)我們在構(gòu)建它們的時候，不知道系統(tǒng)內(nèi)部會發(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Reshma Shetty說。

這種不確定性意味著，通過基因工程編輯一個合成系統(tǒng)的很多步驟需要進行測試和優(yōu)化。從建造人工DNA到將其插入一個微生物體，軟件工具和機械系統(tǒng)正在加速這一過程中的每個環(huán)節(jié)。“你可以利用高通量原型構(gòu)建每個變量，并抱著它們中總有一個能夠達標(biāo)的期望。”該領(lǐng)域、加州大學(xué)伯克利分校生化工程師Jay Keasling說。自動化推力已經(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)家開始實施雄心勃勃的項目。麻省理工學(xué)院—博德研究院鑄造中心共同負責(zé)人Voigt舉了一個例子，他們利用與瑞士制藥公司——諾華的一項合作，生產(chǎn)了大量由人類腸道中的細菌生成的分子。

一些生物學(xué)家對匆忙擴展規(guī)模以及自動化生產(chǎn)持懷疑態(tài)度，他們贊成側(cè)重理論驅(qū)動的策略。但是SynbiCITE共同負責(zé)人Kitney認為，自動化在合成生物學(xué)發(fā)展過程中是不可避免的一步。“你可以迅速地同時進行一系列的實驗，以此了解哪些配置可以更好地發(fā)揮作用。”他說。

宿主

實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)很多突破性進展都是用這些有機物實現(xiàn)的。例如，Keasling及其合作者2003年在加州共同成立的公司Amyris重新對啤酒酵母進行了編輯，制作出抗瘧疾化合物*。

但是這些普通的實驗室有機物并不適合發(fā)展成工業(yè)化的規(guī)模。尋找更好的選擇方式讓科學(xué)家開始搜尋更加模糊的地方。“越來越多的科學(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。

在一些地方，理想的選擇可能是那些能夠經(jīng)受嚴酷生產(chǎn)狀況的有機物，Keasling說。“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)，那么在制作它的時候，可能會將其煮沸。”科學(xué)家還在進行實驗，觀察是否能夠給微生物喂食碳而不是糖來生產(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(chǔ)更加廉價、有效的碳基產(chǎn)品。

醫(yī)療細胞

涉及到醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，合成生物學(xué)家正在對哺乳動物細胞而不是微生物進行基因編輯。這種設(shè)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行某些生理任務(wù)。但是基因編輯哺乳動物細胞存在一系列的挑戰(zhàn)。“我們在酵母方面擁有的工具在哺乳動物細胞那里都沒有作用。”Smolke說，“我們沒有足夠用于調(diào)節(jié)基因表達或蛋白修飾的激活子或是工具。”

zui早培育的工具是像腫瘤一樣、無限增殖的細胞株，其本質(zhì)上是有缺陷的，因此不能代表健康組織。來源于組織的原始細胞又很難培育及操作，不同種類的細胞會讓構(gòu)建可用于整個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Martin Fussenegger說。為了克服這一問題，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。

修改基因也會帶來問題。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位點的CRISPR-Cas9技術(shù)，也可能會帶來不可預(yù)測的結(jié)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產(chǎn)生干擾。”Fussenegger說。他的團隊正在通過引入鑲嵌在DNA合成回路中的被稱為質(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題。作為一項額外的預(yù)防措施，他用小鼠進行的實驗基本上是利用經(jīng)過基因工程編輯的、包裹在植入囊中的細胞，而不是對小鼠的組織進行編輯。

目前，這一領(lǐng)域仍處于嬰兒期。實際上，zui早的基因編輯回路案例在2000年初才開始出現(xiàn)，其復(fù)雜程度令人生畏。盡管如此，越來越多從事傳統(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。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。“我們有大約1.4萬人注冊。”他說。

進入該領(lǐng)域的大門帶來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)可以做的事情來說，其可拓展的前沿是無限的。”Shetty說，“那些新前沿在哪里打開，只是技術(shù)到達哪一步的問題。”