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合成生物学
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生物体的工程可能很快开始改变一切。
合成生物学刚刚开始的一切，奥利弗·莫顿
生物学是一种在分子尺度上构造物质的方法，它把每个原子都插入到它需要的地方。它是一种控制能量流动的方法，从最小的活细胞到整个生物的活细胞。在一个在所有其他方面倾向于经济停滞的宇宙中，这是一种增长秩序方式和惊喜。而且，对于生命能持续多久，生命能完成多少，这是一堆的严格限制。
这也是将名兴奋的年轻人吸引到马萨诸塞州波士顿的海因斯会议中心的一种方式。去年10月，来自42个国家的多支队伍参加了一年一度的国际基因工程机器（igem）比赛。通过鼓励这些团队在大集会中合作和竞争，igem基金会希望为合成生物学产业创建一个框架，将分子生物学和工程学相结合以实现具体目标。今年夏天，年轻人从一种可能满足人类需求的生物学观念，到设计新的基因并看看他们的想法效果如何。
向igem的评委和同行们介绍的项目范围很广。有人试图给细菌一种人类嗅觉;有真菌可以用来在火星上建立基地。大湾中国中学生团队在酵母和细菌中合成猫薄荷的活性成分并荣获该奖项；他们认为该项目可能有助于帮助流浪猫。马尔堡大学的研究生获得了新的基因工具奖，这种工具将使一种生长非常迅速的细菌——Vibrionatriegens更容易被其他工程师使用。
不是所有的igem项目都成功；这些团队学到的一点是，虽然工程生物现在是可能的，但它仍然是困难的。即便如此，全世界已经有32家初创公司开始作为igem团队生活。GinkgoBioworks公司是一家从年和年参加比赛的mit团队中成长起来的公司，他们在波士顿另一边的实验室里，以惊人的速度为农业和化工行业的客户制造新的生物体。它吸引了4.29亿美元的投资。
然而，这场盛会主要不是致富之路。这是一个庆祝和探索的技术，将随着时间的推移，改变生活的世界远远超出实验室。人类无生命的工程创造了一系列的奇迹，从高耸的玻璃城市到位于计算机中心融合的沙子。完全有道理的是，这种动画工程可以产生奇迹，就像年前的摩天大楼和硅芯片一样，在当代也是无法想象的。
一万多年来，人类一直把生物学转向为自己所用。他们通过选择性育种重塑了作物和牲畜，并通过移动物种改变了生态系统的结构——最明显的是将新大陆和旧世界的动植物混合在一起的“哥伦比亚交换”。在20世纪50年代，科学家们了解到基因被写在DNA的长分子上，这就像股票价格一样，到20世纪70年代，科学家们能够开始将特征从它们进化的生物体转移到另一个生物体中，通过切割和粘贴这种碎片，这些生物可能非常有用。这种能力成为生物技术工业的基础。
合成生物学的关键使能技术是能够将新的化学信息写在新的基因组上，而不仅仅是将自然的旧信息从基因组移动到基因组。能够合成DNA字母的机器在20世纪80年代末开始出现。十年后，有公司提出要写出你要求的任何DNA序列，并直接转移给你。生物学家不再受他们在自然界中发现的基因限制，他们能够让细胞以全新的方式工作——重新编程。
这种新能力是构成合成生物学的世纪之交学术趋势基础。其中之一是麻省理工学院的工程师，他们从20世纪60年代到80年代开创了计算机和互联网革命的先机。DNA测序技术的暴跌价格——这些机器只需要阅读，而不是书写，从而工作得更快——使很多行业，如基于数字代码的计算能够以指数速度取得进展。因此，他们得出结论，原则上，细胞的工程方式与电路和软件相同。
自然编程是极其复杂的，它是无意或没有指导地发展起来的。它也没有有用的手册。但是，如果你能合成基因，提供新的，更简单的做事方式，你将摆脱所有旧的运作方式。生命可以转化为更符合工程方法的东西，比如具有明确定义的标准化部件。汤姆·奈特和他的同事们在麻省理工学院的一位先驱们，在这类生物工程中看到了一些类似的世界变化，改变了他们在早期互联网和电脑前计算机工作站上的工作。他们发现了一代热心的学生，他们在电影院的第一个伟大时刻是为“侏罗纪公园”的重新设计恐龙。
进入合成生物学的第二种组成来自学者们，他们沿着相反的方向思考着类似的思路，而不是试图围绕自然机制工作，他们想努力重新创建它们。他们对细胞打开和关闭基因的系统特别感兴趣。只有当一个基因打开，或“表达”，细胞才能使蛋白质描述的基因被显示。当它关闭或“压抑”时，蛋白质的生产停止。因为蛋白质是执行细胞中几乎所有任务的分子，基因在细胞工作方式以及脑细胞与肌肉细胞或癌细胞与健康细胞的不同方面至关重要时“表达”出这些分子。
0年，两个团队公布了新的基因“电路”设计，用这种电路可以用另一种蛋白质控制一个基因的表达。在其中一个基因电路中，精心设计的基因开关会随着时间而相互开闭。与进化被编程成叶子和眼睛的协同基因表达相比，这种“抑制器”的基因电路是儿戏。但正如“抑制器”的创作者之一所暗示的那样，也许理查德·道金斯将进化作为盲人制表师的比喻，或许，“在这个阶段，人们可以通过拼凑一个简单而不准确的钟摆时钟来学到更多的东西，而不是通过拆解最好的瑞士钟表。”
第三种组成更实用：代谢工程。生命使用称为酶的蛋白质，它催化化学反应，以构建它所需要的所有其他分子，在构建的每个步骤中使用不同的酶。有时，这种代谢途径的最终产物是人类有用途的东西，如激素、抗生素或杀虫剂。
能够从零开始编写DNA使代谢工程师能够将来自许多不同生物体的基因汇集在一起构建新的途径，从而提供以低于从植物中收获它们的成本使分子超出化学范围的前景。最引人注目的项目是由加州大学伯克利分校教授金斯利领导的，它创造了青霉素的前体，青霉素是由一种叫做中国甜苦艾的植物制造的，它被发现是一种非常好的疟疾药物。青霉素不可能用其他方法制造出其分子。
随着DNA合成在21世纪早期越来越广泛，它可以为生物体设计新功能的各种方法也聚集在一起。到2年，MIT的工程本科生使用网上购买的基因来转化细菌。3年，金斯利博士及其同事创立了一家公司Amyris用来研究制造青霉素和其他有用的东西。第一次合成生物学国际会议于在第一次合成生物学会议召开前几个月。
媒体对此蜂拥而至。不仅仅是合成生物学看起来像是制造武器的东西。扮演上帝的科学家总是很好的复制品，即使这些创造者，尽管大多数是微生物。科学很少提供如此高扬的神性气味——弗兰肯斯坦和浮士德的禁果——并引发了许多道德困境。德鲁·恩迪是MIT小组中一位有魅力的年轻领袖，他谈到了“以我们选择的方式重新实现生活”并摆脱进化的制约。哈佛大学的乔治·丘奇谈到的不仅是基因的合成，还有全基因组的合成，也许包括那些已经灭绝的生物。猛禽可能会重新出现在人们的视野。
在所有这些革命性的谈话中，该领域的年轻公司做出了一个命运攸关的决定，投入到生物燃料。这似乎是一项崇高的事业：生物燃料可以带来新的生命技术，同时使工业机器的旧技术造成损害。政府热衷于补贴他们。但是，将实验室中产生碳氢化合物的通路扩大至数百万升的规模，证明比预期的要困难得多。资本支出巨大。更糟的是，石油价格急剧下跌导致这些项目的失败。
这使得投资者对合成生物学非常谨慎。但这一领域得到了英国和新加坡等一些政府的支持。在美国，五角大楼的未来视觉部门Darpa在年成立了一个新的生物学办公室。两年后，它启动了一个方案为该领域的领先实验室提供费用以形成能够产生个从未在生物学上产生的分子的通路。
年1月，其中第个分子被制造。这似乎是一个吉祥的兆头。在过去的几年里，合成生物学已经显示出开始实现其承诺的迹象。部分原因是由于持续的学术努力及其累积收益；部分而言，这是一个创业公司在这个领域寻找他们的路线的问题。但其他因素也在起作用。
其中之一是新的基因编辑技术——一次修改现有代码的方法。这在0年没有；现在有一个完整的范围，那些基于分子称为CRISPR已被证明是特别强大和易于使用（这是马尔堡团队的胜利的宝石项目的一大部分）。这为精确改变基因组的想法找到了新的生命，这就是合成生物学的一切。它为生物研究和新投资者的钱包开辟了新的领域。
没有人看到CRISPR的到来。另一方面，DNA合成成本的下降被广泛预见。但它仍然是一个戏剧性的推动者。合成订购的基因价格约为0年的千分之一;如果你批量购买或有内部技术，成本还可以更低。
然后是机器学习。合成生物学从模式识别计划能力最近的增长中获得比大多数其他行业更大的好处。不仅仅是实验室会生成一系列数据来训练此类程序。在5年的一篇论文中，安迪博士指出，“自然生物系统的设计并没有通过因为人类理解的目的进化来优化。这是人类解释数据和提问的问题。然而，对于机器来说，理解是不必要的，也是不可能的。他们只是找到模式并发现规则。这不是科学家理解的科学。但是，如果经过严格测试，这些规则仍然可以成为工程学的基础。早在有重力理论之前，就对建造桥梁有非常好的规则。
虽然合成生物学的能力越来越强大，但改善生命的两种较老的方法的希望已经减弱。其一，制药业，似乎受埃鲁姆定律的约束（反向摩尔定律）；每十亿美元研发支出中研发的新药数量无情地下降。年是10个。它今天已经低于1个，并且还在下降。
这引起了人们对根本的医学新方法的兴趣。一个是重新编程细胞，做有益的治疗的事情。免疫系统细胞是最明显的候选细胞。微生物群的细胞——在皮肤和肠道中茁壮成长的相互联系的细菌生态系统——是另一种可能性。
第二个改善者是石化工业。合成生物学对生物燃料的推动并没有从根本上被误导；化石碳氢化合物必须被替换。错误是冲进一个低利润的散装市场：汽油。一些公司现在使用合成生物学来取代来自相同原油的更多高档分子，这些分子最终以附加值更多的香料和食品添加剂取代。其他人则考虑使塑料环保。随着他们的技术在不断扩展，他们的技术实力允许他们扩大到更便宜的散装产品。
合成生物学的高管们说，他们担心的不是金钱，而是注意力和时间。每家公司都有比它所追求的更具革命性的项目。没有人知道这些项目需要多久才能得到回报。正如恩迪先生电子邮件末尾的格言：“我们的胜利是不可避免的。我们的时机是不确定的。”
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