一文看全！从合成生物学到合成生命

积木之所以好玩，不外乎两个原因：第一，高度模块化，不需要研究多久就能轻松上手；第二，自由度极高，唯一限制最终成果的是我们的想象力。

人类对生物体的改造从远古就开始了。动植物驯化都伴随着基因的改变。驴和马生出骡，狮子和老虎生出狮虎兽这种“跨越种族的爱情结晶”更是人类的拿手好戏。生物技术的发展已让转基因成为现实，我们早就踏上了改造和制造新生命体之路。

诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼讲过：“如果我做不出来，我就不会理解。”对多数人而言，合成生物学是个新鲜的事物。提起合成生物，浮现在很多人脑海中的或许是那些影视动漫作品中的科学怪人、奇珍异兽，对于这样的事物感到新奇抑或恐惧。然而，不管你愿不愿意，人类合成生物的尝试早就开始了。

其实谁也说不清楚，合成生物学到底是从何时开始的，但是合成生物学必定建立在前人许多努力的基础之上。既然要设计和合成生命体，必不可少的是对生命物质的合成研究。

自1828年弗里德里希·维勒偶然利用无机物合成有机物尿素（carbamide），有机物只能通过生物体合成的“生命力”假说被推翻。从那时起，人类便一直努力着，希望通过化学合成而非生物体合成，实现直接从无机物合成人造生命体，进而探究生命的来源，打破“神的特权”。

1953年，大胆的美国化学家哈罗德·尤里和斯坦利·米勒对“原生汤”假说进行验证：生命确实能通过无机物一步一步慢慢得来。

1965年，中国科学家实现了第一个人工合成的蛋白质——牛胰岛素，标志着在生物大分子人工合成方向上的突破。

20世纪70年代，DNA的人工合成技术出现并且实现自动化，合成控制生命的基因已不是难事。

随后，转基因技术的出现，使生物技术在历史舞台上大放光芒，一个物种的基因可以转嫁到另一个物种之中并发挥作用。一夜之间，物种的界限似乎被打破，人类对生命的操控力达到了前所未有的地步，合成生物学即将闪亮登场。

这些都为合成生物学家提供了必需的技术与材料。现在，掌控生命密码的基因已经能通过仪器轻易地被自动合成，只要合成前通过电脑对基因序列进行设计，各种各样的基因变体都可以合成出来。而通过转基因技术与核移植技术，这些合成基因都可以进入新的生物体内发挥作用。

相较于单纯把一个物种的一段DNA复制下来放到另一个物种中的“粗糙的”转基因技术，合成生物学就“高级”得多了。在合成生物学的理论中，DNA这种遗传物质只是由一些生命基本的“小积木”组成，现在只要通过电脑的设计，各种各样的“小积木”都可以靠人工合成出来，接着按我们的意愿组装到细胞里，简直跟拼真的积木一样轻松随意。

然而，这并非人类凭空造出了一种生物。毕竟，谁也不比大自然更有创造力，能够设计出如此精密的结构。人类要想亲手“写”生命密码，就要先学会“读”——在人工合成遗传物质之前，科学家得把原有物种的生命信息密码解读一遍。也就是说，要合成一种生物细胞，首先要测一测它的基因，找出其中遗传物质的本来面目：每种遗传物质的量有多少？A、T、C、G四个碱基怎么排列？有了这份蓝图，就相当于有了一张图纸，然后根据这份图纸进行合理的设计，随后的合成工作就会轻松很多。

只有向大自然学习，才能领悟生命的真谛。所以，合成生物学的玩法还是很尊重自然规律的，不过，就是“皮”了一些。

首先，合成生物学的科学家们将模块化的目标瞄准了控制生命活动的核心——基因。我们知道，细胞的生命活动都由自身的基因组控制，基因组就像电脑的CPU（中央处理器），通过不同基因的表达控制细胞内各种各样的生命活动，进而控制细胞乃至生命的行为。

合成生物学家们通过学习了解“基因组控制不同基因表达”的原理，利用人工合成基因的方法，制造了各种各样人工的“基因功能模块”，控制细胞做各种各样的事情，还可以像变形金刚一样进行各种“变化合体”。这些模块被称为“基因电路”（就像电脑里的电子电路一样）。例如，在一个细菌中加入一个生物传感器模块，使细菌能对不同的光照条件做出相应的反应。又比如，在细菌中加入能感知病原体并释放毒素杀死病原体的装置，使得细菌摇身一变成为我们打入敌人内部的间谍。更有趣的是，通过在细菌中加入感应自身群体密度的模块，可以控制细菌菌落的运动模式，从而控制它们产生各种各样的图案。

模块化几个基因显然是不能满足合成生物学家们愿望的。现在，他们要开始自己的表演了——合成基因组、合成生命。

2002年，美国科学家对第一个病毒基因组从头进行设计与合成，并取得了成功。这个人工制造的基因组可以产生与天然病毒具有同样效用的人造病毒。不过病毒并不具备独立生存的能力，还得依赖细胞为它提供其他帮助，所以严格来说，这不是一个真正的生命体。

真正打响合成生命“第一枪”的，是美国的科学家克雷格·文特尔。2010年，他将一个支原体的内部挖空，注入了人工合成的支原体DNA，就这样，一个新原核生物的完整基因组在人类手中诞生了。它的名字还挺好听——辛西娅，这个小家伙震动了白宫。毕竟，这是历史上第一次出现人造生命。

如果合成生物学想要再上一个台阶，就得合成一个真核生物给大家看看，毕竟这才是高级生命的起点。如今，这个“小目标”已经基本达成了。2017年3月10日，天津大学、清华大学、华大基因在《科学》杂志上发表论文，宣布成功合成4条人工设计的酵母染色体，证明我们到了可以“编写”生命密码——合成染色体的阶段，向“合成复杂生命”的目标迈进了一大步。

2018年8月，中国科学院上海植物生物生态研究所的研究团队运用CRISPR-Cas9基因编辑技术，把酵母体内的16条染色体整合成了一条，此成果被发表在《自然》杂志上。

当然，除了鼓捣酵母，人们还在合成生物领域做了很多有意思的尝试。2021年，中国科学院天津工业生物技术研究所、大连化学物理研究所就做了一件轰动全球的大事，成功实现“人工光合作用”，利用二氧化碳合成淀粉，让“喝西北风就能管饱”成为现实，又将合成生物学带到一个新的高度。

上文提到的酵母是啤酒厂和面包坊里的大明星。科学家之所以费尽心思合成人工酵母，可不是单纯图一个拼积木的快感。

既然酵母可以拆开，当中的遗传物质就可以被取出修改。科学家在其中加入一些人工元素，相当于给酵母添加了无数的开关。这样一来，酵母不仅多了许多新功能，一些不必要的功能也被筛了出去。从此，人工酵母不再只是生物，而是摇身一变成为工业和生物制造中的“细胞工厂”。那么，我们能给酵母添上哪些功能呢？这就得发挥想象力了。

我们都知道，2015年诺贝尔生理学或医学奖得主屠呦呦，从黄花蒿里成功提取出了治疗疟疾的灵药——青蒿素。然而，在目前的技术条件下，青蒿素的提取率只有1%~5%，其产量很难满足病人的需要。如果有了人工酵母，这个问题就能解决了：只要将青蒿素相关的基因“写”入人工酵母，就能将它变成青蒿素的生产工厂。只要多养些酵母，就等于开发了许多条庞大的生产线。早在2013年，美国加州大学伯克利分校的杰伊·柯斯林教授和Amyris生物公司合作，培养出能生产青蒿酸的新型酵母，其生产的青蒿酸能被光化学催化为青蒿素，每升酵母培养基产生的青蒿素达到了25克。这个成果被发表在《自然》杂志上。当然，除了青蒿素，这个“细胞工厂”还能生产各种中草药物成分、镇痛剂，乃至人白蛋白、抗体等。

既然人工酵母能生产药物，那想必它也能制造食物？在合成生物学家手中，酵母又变成“食物工厂”：改变颜色、调整气味、增加元素，统统不在话下。未来，竹叶香味，薄荷香味，赤、橙、黄、绿的各色啤酒和面包也许都将被摆上货架，满足各路吃货的不同需求。

或许，科学家还能合成其他生物，将甲烷之类的工业原料转换成葡萄糖、橡胶和其他石油化工产品，解决材料和能源领域的终极问题。在不久的将来，也许只要想得到，就没有合成生物学做不到的。比如：把酵母16条染色体组合在一起变成一条染色体，研究真核生物基因组为什么以多条染色体的形式存在；把DNA当作硬盘，存储或者加密信息；创造一个“另类”生命体，其用来构建自身DNA和蛋白质的小分子，而这种小分子完全不同于现有生物的非天然小分子。

这些看上去天马行空“很科幻”的想法，其实都是合成生物学家已经在进行的尝试。就在2016年，合成生物学家们又按捺不住他们的“洪荒之力”，提出要在未来5~10年的时间里实现植物、动物甚至人类基因组的合成，再一次把合成生物学推上了风口浪尖。

就像忧心转基因技术一样，不少人对合成生物学也有顾虑：既然生命可以人工合成，达尔文的演化论是不是被颠覆了？

其实事情并非如此。正如在搭积木时我们并没有造出一块不存在的积木，要人工合成生物，也不可能凭空造出一种遗传物质。合成生物学的本质和要求，就是要“读”懂自然的语言，在尊重自然规律的基础上再去设计和构建。所以，人类是在按照自己的需求选择生物的一些基因，将本来不足的东西变得高产，或实现生物原来不具备的功能，而这一切都始终建立在生命本来的逻辑和规律之上。

生命是一种语言，字符就是DNA。过去，通过基因检测，人类“读”（测序）懂了一些生命科学的奥秘，积累了关于生命的知识。今天，以合成生物学的方式设计和构建生命，就是用已有的知识进行合理的书写和创作。这就好像一个学语的孩子，只要学会了阅读就会有表达的欲望。有了输入，就会产生输出，这就是生命语言的演绎规律。也许在不久的将来，合成生物学将完全改变我们的世界，将我们引入生命科学的新时代。

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