隨著中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所首席研究員屠呦呦獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的消息后，更多人關(guān)注了青蒿素。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)青蒿素——一種用于治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發(fā)展中國家的數(shù)百萬人的生命，而這還要?dú)w功于另一個(gè)幕后英雄：一種方興未艾的技術(shù)——合成生物學(xué)。

青蒿素是從青蒿中提取的有過氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯藥物。可惜的是，野生青蒿的青蒿素含量普遍過低，導(dǎo)致青蒿素提取產(chǎn)量低，無法滿足醫(yī)療需求。而科學(xué)家利用合成生物學(xué)手段，在大腸桿菌和酵母中合成出青蒿素的前體物質(zhì)“青蒿酸”，大幅增加了青蒿素產(chǎn)量。

合成生物學(xué)的魔力也讓人類難以抑制成為“造物主”的沖動(dòng)。“一個(gè)[much]理想的狀態(tài)是，你想要什么細(xì)胞，我就能給你造出什么細(xì)胞。”中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院院長裴端卿這樣描述著一幅未來細(xì)胞制備的場景。

當(dāng)然，就目前來看，要想做到隨心所欲地制造細(xì)胞還為時(shí)尚早。

全新的“造物”時(shí)代 植物如何使用水、空氣和陽光來為自身提供能量，就像人類如何利用各種零件組裝電子產(chǎn)品一樣充滿想象力。如今，生物工程師們正在撰寫新代碼，希望利用生物學(xué)的強(qiáng)大力量設(shè)計(jì)出新技術(shù)來制造細(xì)胞，從而將生物學(xué)從無法預(yù)知的領(lǐng)域帶入可預(yù)測的“細(xì)胞工廠”。

合成生物學(xué)就是利用人工合成的方法，對現(xiàn)有、天然存在的生物系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造，通過人工方法創(chuàng)造自然界不存在的“人造生命”。

“我們每個(gè)人都是由十個(gè)10次方的細(xì)胞組成的，但是總體都是由一個(gè)細(xì)胞來的，這個(gè)細(xì)胞就是受精卵，它經(jīng)過十月懷胎變成嬰兒，這是個(gè)不可逆的過程。”在裴端卿看來，每一個(gè)細(xì)胞都有自己的命運(yùn)，決定了它的基因組結(jié)構(gòu)以及調(diào)控規(guī)律。

但是他認(rèn)為，當(dāng)把這種不可逆的過程變?yōu)榭赡?，也就是說通過設(shè)計(jì)一套全新的、更有趣的方案，打破“所有細(xì)胞都從以前的細(xì)胞來”的傳統(tǒng)說法，隨心所欲的造出一個(gè)新細(xì)胞來，那將是一項(xiàng)非常有意義的工作。

合成生物學(xué)就在落實(shí)著這項(xiàng)工作。而進(jìn)入數(shù)據(jù)化時(shí)代后，海量信息積累在那里，合成生物學(xué)甚至可以上升到工程學(xué)的范疇。

“我們會(huì)從工程化的高度來看待基因，看待模塊，把它做成標(biāo)準(zhǔn)化零件，就如同各種不同的機(jī)械配件一樣，也如同拼圖一樣可以擺出各種圖片。”在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)，中科院院士、武漢生物技術(shù)研究院院長鄧子新形容道。

可以說，與基因工程把一個(gè)物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一個(gè)物種的做法不同，合成生物學(xué)的目的在于建立人工生物系統(tǒng)，讓它們像電路一樣運(yùn)行。

“合成生物學(xué)發(fā)展至今，實(shí)際上對應(yīng)用科學(xué)將更為有的放矢，具有能夠更理性化地進(jìn)行人工改造和設(shè)計(jì)的高級思維，這將對今后的生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的推動(dòng)和發(fā)展。”鄧子新說。

代謝網(wǎng)絡(luò)是生命之根 可以預(yù)見的是，合成生物學(xué)有望生產(chǎn)出一些超常規(guī)的產(chǎn)品，甚至再造各種不同的器官、組織，這種技術(shù)給未來指明了一條提高工業(yè)生物技術(shù)競爭力、降低生物制造成本、改造生命體的可能的道路，在醫(yī)藥、能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)都具有驚人應(yīng)用潛力。

目前要想做到隨心所欲制造細(xì)胞還為時(shí)尚早。正如鄧子新所述：“今天進(jìn)入了合成生物學(xué)時(shí)代，并不意味著就可以按照我們的意向把什么東西都拿來合成、進(jìn)行人工的想象，它還需要許多基礎(chǔ)研究的積累，比如代謝組學(xué)等。”

鄧子新告訴記者，人類的整個(gè)生命活動(dòng)都要經(jīng)過一系列的代謝過程，這張復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)必須研究到位后，我們才可能隨心所欲地人工設(shè)計(jì)組織器官，人工設(shè)計(jì)全新的化合物。

鄧子新認(rèn)為，合成生物學(xué)構(gòu)成了應(yīng)用代謝科學(xué)的高級技術(shù)集成，合成生物學(xué)的繁榮亟待建立成熟的代謝科學(xué)體系實(shí)現(xiàn)不斷研制轉(zhuǎn)變。從宏觀到微觀全面地了解細(xì)胞是怎么發(fā)生作用，才能構(gòu)建新的生物體系，才能從基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展到實(shí)用科學(xué)研究。“代謝科學(xué)將成生命動(dòng)能核心驅(qū)動(dòng)力和新一輪大科學(xué)計(jì)劃的聚焦點(diǎn)。所以代謝科學(xué)是生命之根，才能催生現(xiàn)代合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)。”鄧子新說。不過，對于合成代謝網(wǎng)絡(luò)而言，在異源宿主中均需要確保編碼代謝途徑的多個(gè)基因的協(xié)調(diào)與平衡，所以，對代謝網(wǎng)絡(luò)相關(guān)基因及調(diào)節(jié)元件的合理篩選仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。“面對目前海量的數(shù)據(jù)庫，如果不對基因進(jìn)行細(xì)致的分析和分類，就不能夠加以利用，做成合成生物學(xué)模塊。不能為我們所用，某種程度上就是廢物。”鄧子新說。

生物元件亟待標(biāo)準(zhǔn)化基本生物元件的組裝使得生物合成路徑成為可能，但是，組裝生命遠(yuǎn)不像組裝電路那樣簡單。合成基因電路構(gòu)建完畢并載入細(xì)胞之后，就有可能對宿主產(chǎn)生非預(yù)期的影響，許多生物元件不相兼容，這就給組裝生命帶來挑戰(zhàn)。

美國加州大學(xué)舊金山分校合成生物學(xué)家克里斯·沃伊特就曾經(jīng)遇到過這樣的問題。沃伊特將從枯草芽孢桿菌中提取的一些基因零部件裝配成為一個(gè)開關(guān)系統(tǒng)，目的是讓某些基因在化學(xué)刺激下作出反應(yīng)，激活某種基因表達(dá)。

于是，他將這個(gè)基因電路送入大腸桿菌，結(jié)果在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞都變得病懨懨的，每天的表現(xiàn)也都不一樣。他發(fā)現(xiàn)，生物電路的某個(gè)部件打亂了大腸桿菌的自然基因表達(dá)，也就是說，生物電路設(shè)計(jì)本身沒有問題，只不過某個(gè)部件是不兼容的。

業(yè)內(nèi)人士的共識是，生物要想像機(jī)器一樣可以“組裝”，那么就必須解決元件的標(biāo)準(zhǔn)化和適配性問題。

“我們要分別了解在各個(gè)不同方面利用的時(shí)候的基因特點(diǎn)，所以我們要做成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，就像電視、手機(jī)要用到標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品一樣，我們要做出兼容的生物零件，使它成為更有效率、更有利用價(jià)值的功能化的模塊。”鄧子新說。

在發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化合成生物元件的過程中，也有很多的方法和原則。比如，可以在已知生物基因組中發(fā)掘生物合成路徑并加以利用，或者可以從頭設(shè)計(jì)從未有過的新的合成途徑。另外，也有專家稱，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)系統(tǒng)和基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)也很重要，因?yàn)檫@會(huì)使表達(dá)元件在不同的生物體中轉(zhuǎn)移，能使得合成的分子來源于不同生物，具有不同的生物活性。

“合成生物學(xué)也是現(xiàn)在生物學(xué)比較理想的狀況，在植物、微生物領(lǐng)域都有可能實(shí)現(xiàn)生物產(chǎn)品的人工設(shè)計(jì)。這是高速發(fā)展的領(lǐng)域，因?yàn)樘幱诎l(fā)展初期，社會(huì)期待值很高，從孵化、催化階段，真正走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還需要相當(dāng)長時(shí)間的積累深化。”鄧子新說。所有說合成生物成為“造物主”為時(shí)尚早。