从一粒种子的萌发开始，根扎向土壤，破芽而出，叶在风中飘摇，一棵树逐渐长成，这是一个生命的创建过程。这个过程里隐藏了造物主多少秘密？ 以前我们用上帝、女娲来解释，达尔文进化论一举粉碎了这些带着神秘色彩的传说。

图1：露出新芽

“There is no magic in the room！”不少生物学者坚定地认为，从科学的角度，人类可以洞悉生命的奥秘，设计与构建生命，让细胞听从人类指令，生产出高价值化合物，这是合成生物学领域研究的内容。

图2：合成生物学的过程（选择基因—编程细胞—生产产物）

什么是合成生物学

Part 1

简单说，合成生物学是一个搭积木的游戏。我们通过变换积木的搭建方式，用一块块的积木模块，能够一步步堆成万物：房子、汽车……只不过这个积木不是立方的木头或塑料固体玩具，而是DNA，或者说生物积木（BioBricks）。

名词解释

生物积木：具有特定功能的DNA小片段。

接下来，我们会从积木的搭建线路、生物积木的组装两个角度来介绍合成生物学。

1

宏观：积木的搭建线路——代谢途径

合成生物学中万物的生成是遵循代谢路径的。什么是代谢路径？

先从人的新陈代谢说起，当我们吃完饭后，摄入的葡萄糖会按照图3的物质代谢路径在体内细胞消化。在我们生活的每时每刻，体内有多个纷繁复杂的代谢在进行。

图3：葡萄糖的有氧呼吸

合成生物学要做的事情是，根据目标的天然代谢途径，挑选合适的工程菌，让细菌工厂按照类似的代谢路径，生产对人类有用的化合物。

名词解释

工程菌：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”。

图4：代谢途径与遗传物质的关系

那能让细胞听从指令的钥匙是什么呢？就是DNA（遗传物质）。DNA上刻录了每个人的遗传信息，规定了细胞的运行程序，各部件各司其职，周而复始，完成生老病死的生命更迭。

在细胞中，一个特定的功能由一段DNA编码，这个DNA片段就是前面提到的生物积木，或者说标准化元件。

2

微观：生物积木的组装——

新一代程序猿：敲生命代码的是人类还是上帝？

合成生物学是基因工程与工程技术的结合。生物积木的组装可以从这两个角度来理解。

图5：合成生物学=基因工程+工程技术

从基因工程的角度来说，在1万年以前，选择基因的方式是选择育种，有自然选择，也有人工选择。演变到今天，人类已经能直接操纵DNA，我们可以读、写遗传信息，并能剪切一种组织的DNA片段后，移植进入其他组织，使之按照人们的意愿稳定遗传，表达出新产物或新性状。但因为生命的设计蕴含了造物主太多巧思，所以我们在操纵DNA时并不是那么得心应手。

从工程学的角度来理解，这是对细胞的编程，只不过这次码农从上帝变为了人类。

把DNA视为编程语言，计算机是0和1二进制的机器语言编码后运行，而DNA是另一种进制，它有四种碱基（A、T、G、C），四个中任意挑选3个确定一个密码子（碱基的排列顺序代表了我们的信息，这个密码本我们已经破解），这个密码子可以指挥细胞生成对应的蛋白质。

我们用DNA来组装简单而实用的标准元件，这样的元件设计灵感来自于自然，但是人工合成的，然后在细胞内而不是计算机中运行这些元件。有趣的是，细胞能够自动制造其所需的硬件设施。

图6：标准化元件、模块化、测试

综上，我们可以通俗地理解合成生物，就是通过对细胞的遗传物质编程，向细胞输入指令，细胞按照其固有特性开始执行使命，源源不断生产化合物或进行于人类有利的生命活动。

即设计可预测的DNA序列——合成生物积木——在大肠杆菌等工程菌中进行基因重组——筛选——验证。

3

别急！我们还在1958年

那么，现在合成生物学发展到什么程度了呢？

中科院深圳技术研究院的戴俊彪老师曾在某讲座上以半导体工业为例。

图7：半导体工业的发展进程

对照上面的发展进程，眼下我们正在合成生物工业的1958年。到能够自如地控制细胞合成我们所需，大约还要60年左右，但发展一直在进行中。

 

合成生物学发展历的里程碑事件

Part  2

图8：人造生命——Synthia的诞生

Craig Venter 用来源于其他物种的合成DNA替换掉一个细菌中的DNA，并且加入了一些其他物质，新的生命体能够开始自我繁殖，成为世界”人造生命“。

实验检验了我们编码的程序在细菌中运行情况，这是建造未来细菌工厂的重要基础。

已有的有趣成果

Part 3

尽管合成生物学还不是很成熟，但它已经在能源、食品、生物医药、生产疫苗等领域展现出极大的潜能，人们也对它报之以热忱与信心，称其将引发第三次生物技术革命，在投资界和生物界掀起了一次次热浪。

 

下面列举两例成果：

1 青蒿素（治疗疟疾）获取

Jay Keasling 将3种组织中的10个基因导入酵母菌中建造并完善了一个新的酵母代谢途径，模拟青蒿素的合成途径，人工合成了抗疟药物——Artemisinin，将药物成本大大降低，每年供2亿左右的疟疾患者使用。

2 利用合成细胞进行疾病预警，根据粪便的颜色即可知道自己是否得肠炎，不用经历肠镜检查的痛苦

和未来的我们有何关系

Part 4

对于未来，我们已有不少畅想：

我们可以用人工合成的多功能新器官ARCLIVER取代人体中的肝脏。

未来我们的食物、能源可能由工程菌生产。

我们住的房屋可能是一粒可以长成房屋的种子长成。

对于癌症患者，我们将特定的制剂递送入人体，由细胞确认体内某个细胞是否为癌细胞，实现精准治疗，免得误伤其他细胞。

我们甚至可以重新改造火星使之适合人类居住。

......

让我们静待未来！

本文是学习合成生物学的一个简单总结，并不，现列出写文所参考的资料，供感兴趣者进一步了解与学习。

戴俊彪讲座《揭秘合成生物学/生命的设计与合成》 https://v.douyin.com/YKrCKPo/

【从零开始的合成生物学 | 简介与新应用】https://b23.tv/Pcr5lxa 

edX《Principles of Synthetic Biology》https://learning.edx.org/course/course-v1:MITx+20.305x+2T2020/home

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领域：合成生物学