细胞里的“乐高大师”：合成生物学将重塑世界

想象一下，如果科学家能够设计出具有多种能力的“超能微生物”，它们不仅能生产可降解塑料，而且能清理重金属污染的土壤、吸收温室气体，甚至精准治疗疾病，这听起来是不是像科幻电影？但这正是合成生物学正在努力实现的目标。

文/倪江飞 王国强

倪江飞，中国科协创新战略研究院助理研究员。

王国强，中国科协创新战略研究院研究员。

合成生物学：

从概念走向现实

1911年，法国物理化学家斯特凡·勒迪克在其著作《生命的机制》中正式提出了“合成生物学”的概念，他认为无机物（如盐类）可通过渗透、扩散、界面张力等物理过程来制造“类生命”形态。由于他生活在现代分子生物学尚未兴起的时代，无法了解DNA、蛋白质、基因调控等现代生物学的核心机制，以至于他对合成生物学的阐释侧重于通过物理化学方法模拟生命的过程，这与现代意义上的“设计并合成人工生物系统”的内涵截然不同。尽管如此，他预言了生物学研究将从描述生命到分析生命，再到合成生命的必然进程。

1974年，波兰遗传学家瓦茨瓦夫·希巴尔斯基认为，到了合成生物学阶段，“人类将设计新的调控元素，并将新的分子加入存在的基因组内，甚至构建一个全新的基因组”。他提出的合成生物学愿景，随着生物领域一系列重大发现与发明相继问世得以不断加速推进——从DNA双螺旋结构的揭示，到聚合酶链式反应和基因测序技术的诞生，再到基因编辑工具的发展，逐步演化为现代合成生物学的技术现实。1980年，法国生物学家芭芭拉·荷本在其论文中首次使用合成生物学概念来描述经过基因改造的细菌仍然能存活并表达新功能的现象。20世纪90年代以后，人类基因组计划的实施、组学研究的快速发展，以及生物信息学和系统生物学等学科的兴起，完成了合成生物学的最后一块拼图。

2000年，两篇发表于《自然》杂志的论文分别构建了基因逻辑线路的开关和振荡器，首次通过人工设计实现了生物系统的功能调控，因而被学术界普遍认为是合成生物学作为独立学科诞生的标志性事件。随着合成生物学概念的广为传播和以国际基因工程机器大赛（iGEM）为代表的全球性合成生物学平台的兴起与发展，合成生物学迎来了快速发展期，许多惊艳世界的科研成果陆续涌现。特别是，2010年美国生物学家克雷格·文特尔领导的研究团队宣布成功将人造基因组植入一种名叫山羊支原体的微生物中，产生了完全由人造基因控制的细菌“人造儿”（又称“辛西娅”）。如果说2000年《自然》杂志的两篇论文被视为合成生物学的起点，证明局部生命可被设计，那么2010年的“辛西娅”研究则是其“成人礼”，证明了生命系统可被工程化构建。这一系列突破标志着合成生物学代表一种改造乃至创造新生命的新研究范式，这与传统生物学的研究思路有着深刻的联系与区别。

传统生物学与合成生物学：

从“读懂生命”迈向“写出生命”

合成生物学与传统生物学既有联系又有区别。说二者有联系，是因为合成生物学脱胎于传统生物学。传统生物学揭示的基因功能、代谢规律、DNA结构等为合成生物学提供了核心组件、设计原理与工程化基础。可以说，正是传统生物学百年来的知识积累与技术突破，为合成生物学的诞生奠定了不可或缺的理论基石与实操框架，使其从概念走向现实。同时，合成生物学的实验结果能够反过来验证或修正传统生物学理论。例如，合成生物学通过构建人工最小基因组等实验，揭示传统生物学中“基因必需性”的绝对化假设不成立。

合成生物学又与传统生物学之间存在许多显著差异，尤其在核心目标和科学思想方面。传统生物学核心目标是理解与认识生命这本已经写好的“说明书”，侧重于通过观察、描述和分析方式来研究揭示生命系统的结构与规律。合成生物学更像是一位生命的“发明家”和“工程师”，目标是重新编写生命的“代码”，设计并构建自然界不曾存在过的全新生命形式。

就科学思维而言，传统生物学采取的是一种典型的“还原论”科学思维，核心思想是复杂系统可以通过研究其基本组成单元来理解。在该思想指引下，传统生物学往往把生命系统拆分为细胞、分子、基因、蛋白质等不同层级进行逐个分析，坚信只要搞清楚每一个部分和层级，就能“拼出”生命的图景。合成生物学采用“构建-验证”的工程思维，像拼搭乐高积木一样将生物元件进行模块组合，通过人工设计与合成来重构甚至创造具有新功能的生命单元。相较于传统生物学的“拆解生命、理解生命”的思路，合成生物学更像是在“搭建生命、创造生命”，以“构建以理解”为基本理念，这不仅是一种研究方法论的变革，更是一种科学思维的飞跃。

总之，传统生物学主要通过观察自然来生成知识，研究生命系统“是什么，如何运作”，而合成生物学在此基础上探讨“我们能否设计出新的生命功能”，二者是继承与革新关系，是从“读懂生命”迈向“写出生命”的跨越。

合成生物学是生物学、工程学、计算机科学等深度融合的交叉学科

（图片来源：Engineering Biology）

超级工具箱：

合成生物学的关键技术

我们经常将“底盘”“元件”和“模块”三个名词与合成生物学联系到一起。这些概念构成了合成生物学工程化设计的核心框架。想象一下，合成生物学家就像一群“生命工程师”。为了搭建出新的生物系统，他们首先要选择一个“底盘”，类似于盖房子的地基，通常选取大肠杆菌、酵母这些容易操控的微生物。然后，他们用DNA片段、蛋白质和代谢物等“元件”来改造这个“底盘”。为了便于这些“元件”的自由组合，它们都被尽量制成标准化的，就像乐高积木一样，实现“即插即用”。但是，光有“元件”还不够，还得将它们组合起来。工程师借鉴设计电路板的思路，把相关“元件”组装成具有特定功能的“模块”，如一个感应开关、一个生产车间等。最后，根据设计图纸将这些“模块”拼装在微生物“底盘”上，就可以构建全新的生命系统。例如，在未出现合成生物学前，人们生产塑料，需要经过开采石油、提炼原料、聚合反应和成型加工等多个步骤，不仅耗能高、流程复杂，还依赖不可再生化石资源。在合成生物学时代，只需要修改“大肠杆菌”这个“底盘”，然后插入一些精心设计的基因“元件”，就像给细胞安装了生产说明书，就可以让大肠杆菌直接利用糖类等可再生原料，高效地发酵出塑料来。这大大简化了流程，降低了能耗，也为生产环保塑料开辟了新路径。

合成生物学在设计、构建并调控具有特定功能的生命系统过程中，通常有四大类技术起着关键作用，即DNA合成与组装技术、基因编辑与调控技术、标准化生物模块库与建模设计技术、细胞工厂与自动化平台技术。它们在上述环保塑料生产过程中扮演着重要角色。

首先，工程师需要确定自然界中哪些细菌天生能合成可降解塑料，并确定其关键基因。确定这两个目标后，利用DNA合成与组装技术挑出这些关键基因片段并“打印”出来，接着使用DNA组装技术将这些基因片段像拼乐高积木一样拼接组合在一起，于是就构建出一条“生产塑料的基因路线”。这相当于为细胞编写了一份详细的生产说明书，也可以视为一个功能完整的DNA模块，清楚地写着哪条“酶机器”先开工、哪条“反应管道”后连线。

虽然生产说明书（即组装好的基因线路）看似完美，但工程师往往不会贸然将其嵌入“底盘”。就像设计电路图一样，他们首先借助标准化生物模块库与建模设计技术，把各种生物元件制作成标准的“积木块”，统一接口，方便自由组合，然后通过电脑建模初步预测各种不同组合的效果，帮助筛选和优化设计方案（即最终确定的基因线路设计）。这时，才会进行下一步的“安装”与“编程”。

工程师使用CRISPR/Cas9等基因编辑技术把优化好的DNA模块（即最终确定的基因线路）精准地嵌入到“底盘”（如大肠杆菌）体内。这个DNA模块本身就被设计成包含必要的启动开关和调控逻辑。工程师还需要利用基因调控技术进行测试和调整（如优化培养条件或模块中的调控元件），为这些基因设置好反应条件与运作节奏，确保微生物可以按照预定的节奏和效率来生成塑料。

最后，将“生产说明书”变成现实。为达到这个目标，工程师借助细胞工厂和自动化平台技术。具体而言，工程师将最优基因线路导入“底盘”中，使其具备合成塑料的能力。接着，将这些改造后的“超级菌种”放入高密度发酵罐中，让它们开始批量生产塑料分子——这就是微型细胞工厂。与此同时，实验室里的自动化平台开始工作：成千上万个基因组合被测试，关键数据被实时采集，智能系统分析结果并提出改进建议。最终，工程师挑选出一株产量最高、最为稳定的“明星株菌”，然后投喂甘蔗渣、玉米糖浆等原料就可以生产出可降解塑料了。

合成生物学工程化设计的三个核心层次

改变世界的力量：

合成生物学的重要应用领域

让微生物生产可降解塑料，这听起来足以令人们兴奋不已。除了能生产塑料外，合成生物学还有其他用途吗？答案是肯定的，合成生物学正在从实验室走向人类生产生活的方方面面，将重塑人类与自然、疾病、资源的相处方式。

在工业领域，合成生物学能够在细胞中建立起一座座“迷你工厂”，生产可持续的工业原料与成品。工程师通过改造微生物基因，将农业废弃物（如甘蔗渣）、植物基材料（如秸秆）、非植物基原料（如二氧化碳）等资源转化为塑料单体、燃料、航空燃油等。例如，让藻类“吃”二氧化碳就能产出航空燃油，这些燃油已经在小型喷气机上试用成功。又如，蓝色牛仔裤使用的靛蓝燃料已经由细菌来生产，之前都是依赖石化合成。未来，衣服面料、建筑材料及汽车内饰等原本来自工厂的产品都可以由“细胞工厂”来完成。

在医疗领域，合成生物学能够在细胞里安装“智能导弹”，精准定位病灶，实现精准打击。科学家已经制造出自动识别并杀死癌细胞的“细胞药丸”。例如，CAR-T细胞疗法通过基因编辑给细胞装上了“GPS”（全球定位系统）和“武器”两大利器，能够精准识别并攻击癌细胞上的特定抗原，这让其在治疗某些类型血液肿瘤（如B细胞急性淋巴细胞白血病）中取得了显著效果。同时，科学家正在设计“活体传感器”微生物，它们进入人体（如肠道、皮肤）后可实时监控肠道状况，一旦发现炎症或出血等异常情况，就能发出荧光信号。未来，或许我们服用的不是药片，而是一群被编好程序的细胞，它们在人体内“巡逻”并自动修复问题。

在农业领域，合成生物学能够设计出具有抗旱、抗病等特性的超级作物，提升农作物产量。在抗旱方面，科学家通过基因编辑或引入来自仙人掌、骆驼刺等耐旱植物的基因，能够让农作物像“骆驼”一样高效用水。在抗病方面，科学家将来自细菌、真菌的抗病基因导入农作物，如同让其装了“雷达”，一旦监测到病毒入侵，就会立即启动防御机制，直接杀死病毒。同时，合成生物学能让工程酵母和真菌生产出牛奶蛋白、鸡蛋白、“肉味”分子，从而生产出无奶的奶酪、蛋白饮料和植物肉。目前，市场上多款人造肉、人造奶酪产品已经登上超市货架。未来，合成生物学不仅使生物合成食品成为缓解全球粮食压力的重要手段，而且能根据个人基因量身定制最合适的蛋白质和维生素组合。

在环保领域，合成生物学通过基因编辑技术重构微生物代谢能力，让微生物具有降解塑料、吸附重金属等环保功能。在降解塑料方面，科学家使用基因编辑技术使微生物分泌的特定降解酶像“分子剪刀”般精准切断塑料的化学键，从而将长链高分子分解为可回收的小分子单体。在吸附重金属方面，科学家精确修改微生物基因，使它们表面产生特定的金属结合蛋白质或在体内构建专门代谢通道，从而使它们像“活磁铁”一样主动吸附并存储汞、铅等重金属。展望未来，被合成生物学赋予超能力的微生物，或许让我们看到一番神奇的环保场景：海洋里漂浮着“生物浮岛”，一边降解塑料一边生产氧气；沙漠中洒下的固沙菌种能够将沙漠变成绿洲；受污染湖泊中的藻类白天吸收二氧化碳、释放氧气，晚上分泌降解酶分解污染物……

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