合成生物学：细胞的工程化改造

人们一直致力于认识、改造和设计生物系统。一个古老的典型例子就是对于狗和农作物的驯化和育种；在此过程中，数以亿计的DNA碱基对所构成的基因系统（狗和农作物的野生祖先）发生定向变化，最终按照人类的预期产生了相应的功能和表型。上世纪50年代，DNA被确认为生物过程的遗传基础。从那以后人们就意识到，对于改造和设计生物系统来说，操作特定DNA序列进而操控特定生物过程是比传统的驯化和育种更为有效的手段。从上世纪70年代开始，人们合成、组装和测序DNA序列并将其用于生物功能改造的能力不断增强；特别是合成和测序DNA的能力，如果按照每单位价格成本所能合成的碱基数目作为指标来看，其趋势以接近于摩尔定律的方式增长。近些年来，人们已经利用化学方法从头合成了细菌和老鼠线粒体的全长基因组DNA，并将其植入相应的细胞。最近的一项研究工作中，一个国际研究团队甚至成功合成了真核生物芽殖酵母的一条染色体，并且使其发挥正常的生物学功能。

然而，尽管人们已经能在基因组水平对DNA进行操作，但是在功能层面上，目前的成就还大多局限在对于细胞内源固有功能的重现（recapitulate）和轻度改造上。人们逐渐意识到生物系统是极其复杂的，其内部成分是高度相互关联的，进而导致人们对于生物系统的解读往往非常困难，针对生物系统的设计与深度改造更是具有史无前例的挑战性—即使是设计最简单的生物系统，都可能会超出当前的理论与技术极限。因此，如何编写DNA序列进而设计生成新的生物系统，目前还是科学界的一大难题。

针对这一难题，“合成生物学”应运而生。合成生物学是一门综合学科，意在以传统生物学获得的知识与材料为基础，利用系统生物学的手段对其加以定量的解析，在工程学以及计算机的指导下设计新的生物系统或对原有生物系统进行深度改造。合成生物学的奠基者之一，美国斯坦福大学的Drew Endy教授曾提出，标准化（standardization），去耦合（decoupling）和模块化（modularization）是合成生物学的重要原则。这一认识在学界内部得到广泛肯定。通过标准化，设计和改造生物系统所需的生物元件得以界定，其功能得以刻画和抽象化；通过从去耦合，人造生物系统的复杂性，包括生物元件之间的相互作用得以规范化，从而最大程度上降低了人造生物系统出现故障的可能性；通过模块化，人造生物系统的复杂功能可以被拆解为功能上相互独立的模块，每个模块可以进而被拆解为对应的生物元件，从而为生物系统的设计与组装提供了理性指导。因此，在过去的十五年里，合成生物学显示出了巨大的潜力。从早期简单的，仅包含两三个基因的扳键式基因开关（genetic toggle switch）到最近报道的，包含十数个基因的复杂基因程序（genetic program），合成生物学已经设计出上千个生物系统以赋予细胞各种崭新的生物学功能。

尽管取得了上述成就，但是同其他新兴的科技领域一样，合成生物学仍然面临着两个方面的重大挑战：一个是学科自身理论与技术体系的欠完善，另一个是技术扩散所带来的安全问题；前者决定了合成生物学未来的发展道路，后者代表着合成生物学发展所带来的社会风险。

综上所述，合成生物学在过去的十五年中呈现巨大潜力，其理论与技术体系正处于不断完善之中，其工程对象正逐渐从简单的生物线路向复杂的、基因组水平的生物系统发展过渡。在达成应用目的之外，合成生物学同样揭示了生物系统的高度复杂与高度互作的属性；正如著名物理学家Richard Feynman所说，“如果我不能创造一个东西，那么我对它的理解也必然不够” （What I cannot create, I do not understand），合成生物学着力实现的标准化、去耦合、模块化等工程目标，也将进一步加深人们对于生物系统的认识。但同时，如何避免合成生物学技术被不正当使用，规避该技术带来的巨大的社会风险，考验的将不仅仅是合成生物学研究者，也同样考验着法律法规、政策制订、伦理研究等相关方面的专家学者。