从基因模块到合成生物，创造“自然”的迷人和危险

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从基因模块到合成生物，创造“自然”的迷人和危险

观察未来科技

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把拼接大自然的“原始积木”拆开，然后以更适合人们需要的方式重新搭建起来的合成生物技术，既迷人，又危险。

从基因模块到合成生物，创造“自然”的迷人和危险

图片来源@视觉中国

文 | 观察未来科技

过去，人们一直在想象着怎样改善社会和环境，现在，在合成生物学的支持下，人们正在实现这些梦想。合成生物学是一项关于创造自然的神奇技术——人们需要先把拼接大自然的“原始积木”拆开，然后以更适合人们需要的方式重新搭建起来。制造生物燃料、帮助改善干细胞生物学，这些都是合成生物学。

如今，人们已经可以用酸奶肃清霍乱，可以生产酵母来给汽车提供动力，还可以改变微生物基因来清理环境。在未来，人们甚至还能用现有的生物实现电子工程干的事情——生物计算机将与普通计算机一样实现逻辑门运算，这无疑为生物学开辟了新的道路。

从基因模块到合成生物

合成生物学是一个新兴领域，它主要是运用工程技术来设计和构建新的生物部件、设备和系统，以实现自然界中不存在的新颖功能或生命形式。合成生物学依赖基因工程、生物工程、系统生物学和许多其他工程学科，并且需要使用这些学科所提供的工具。

实际上，人们很早就已经在尝试改造“生物”以创新自然。早在12000年前农业开始出现的时候，人们就一直用驯化驯养，进而用育种和人工选择的方法改良动植物。人类诱捕酵母和细菌来制作啤酒、葡萄酒和奶酪；驯服动物，使动物能够成为人类最好的朋友；人们还巧妙地把草原变成食物来源。

人们改造“生物”的进一步发展，就诞生了合成生物学这门技术。合成生物学的诞生，还离不开一个重要的背景，就是人类对于基因的认识。

我们可以将基因看作是大自然的原始码。几十年前，人类逐渐学会了能又快又精准地萃取基因、描述其特性，并开始思索如何将基因植回生物体内——有时植人相同物种，有时植入完全不同的物种。研究人员可能会保持基因完好，以观察其表现；或是予以修改，甚至蓄意破坏，来观察这些部分受损的基因会发生什么事，并基于此来测试不同基因的作用。这就是所谓的基因工程。

基因工程技术之所以能成真，在于所有生物的基本组成单位都是一样的。地球上所有生物都由四个“字母”排列组合而成，这些字母组成有意义的DNA，编写出基因，再转译成22种胺基酸；这些胺基酸互相链结，形成了蛋白质——蛋白质则是构成生命体的主要成分。

在基因工程的背景下，一个“即插即用”的方法正在被开发出来，以便于分子水平上的操作，那就是合成生物技术。通过合成生物学，人类得以建立了一套系统，截取这些经过千万年演化的基因并进行重新组合。

合成生物学有多种类型。一些研究者不仅为特定目的而重新编写基因码，更以这些“字母”重新编写出自然界没有的DNA“语言”。另一些科学家则着眼于将DNA作信息储存之用，毕竟，DNA对生物的作用本质上来说就是保存信息。就这一点来说，基因即是信息，DNA 则是极其稳定的数据格式。

未来，久经测试的基因模块可以由专业人士甚至非专业人员组合在一起，生产不同的生物工程产品。人们可以从一个干细胞中培育出新的有机体，可以在几个星期内破解任何现存有机体的基因组序列，包括表观遗传指令编码。在合成生物技术下，人们有潜力重新创造这个星球上的任何生物体。

对于濒临灭绝的动物群，人们也有了更好、更有力的保护措施。2008年，人类完成了长毛猛犸象的基因测序，据说日本研究者用现存的有亲缘关系的大象作为代孕母亲来克隆它们。利用合成生物学复活灭绝物种极有可能成功，因为任何丢失的基因信息都可以用“即插即用”的基因模块替代。

一条并不普通的领带

出乎人们意料的是，合成生物学的里程碑是一条并不普通的领带。

蜘蛛丝领带是外螺纹（Bolt Threads）生物科技公司的第一项商品，也是生物技术发展的一个里程碑，虽然未能实现商业化，但也却给人们带来了足够多的震撼。毕竟，这条领带是以蜘蛛丝织成，这也解释了它的定价为什么如此昂贵。

要知道，蜘蛛丝是一种出色的材料，不同品种的蜘蛛在不同的情况下可以分泌出结构各异的丝蛋白，用来结网、包裹猎物或保护卵囊。每一种蜘蛛丝靭性和延展性都不是人类能够简单复制的。就承重性来说，蜘蛛的丝线比钢铁更强韧。

位于蜘蛛腹部的纺丝器像一个构造复杂的内嵌式水龙头，会依照所需蛛网类型重新排列丝蛋白分子，而喷出的蛛丝会从液态变成固态。虽然人类非常想要采集蜘蛛丝，但蜘蛛却是出了名的难养。多数蜘蛛都没有群居的习惯，并且还会同类相食，种种习性都不利于产业化养殖，因此，想收集足量的蛛丝纤维来制造产品可以说是极其困难。然而，外螺纹生物科技公司却利用酵母合成了与蜘蛛丝几乎无差的“蜘蛛丝”。其背后，正是合成生物技术。

实际上，一直以来，人类都在设计如何让动植物产出原料，供己所用。然而养殖技术终须受限于有性生殖漫长又繁琐的过程。并且这样的繁殖只能存在于同类物种之间。现在，有了合成生物科技，就可以打破这些限制，把位于演化树不同分支上，甚至相隔亿万年的物种两相结合，比如蜘蛛与酵母。合成生物学的工作就是提取出生物的原始码，将其重新设计成效率更高的生物工厂。

合成生物学不仅能成功跨界到服装业，在服装业之外，医学、农业、药品、能源，以至探索宇宙的方式都正在等待合成生物技术的开发。

对于医学而言，合成生物技术也是一种全新的推动力。快速可靠地合成多部件系统，使之走出实验室并成为一种可用于交易的标准化产品，这是现代技术能力的标志。这种科学背后的愿景是，这些生物部件可以连接在一起，创造出细胞、组织或生物系统，以可预期的方式可靠地执行特定的任务。合成生物学家最终希望能够对细胞、细胞系统或组织进行编程，以执行特定的任务和功能。

而如果我们可以设计和生产人工细胞，那就意味着新的医学时代已经不远了。人工细胞、器官和骨骼以及合成的DNA将被用于再生人类，从而击败衰老，催生长寿市场，这对人类具有巨大价值。

在医学的新未来中，一个完整的医疗供应链被创建出来，致力于长寿、再生、人类健康和人类物种的医疗增强。正如我预测的那样，这将导致一个新文明的出现，不仅会消除大多数疾病，而且会从医疗上完全改变人类的进化，使人类能够活得更久、更健康、更聪明。

迷人的危险

当然，合成生物学的未来并不限于地球。比如，美国太空总署（NASA）就投入了大量人力物力发展合成生物技术。

毕竟，当航天员抵达其他星球，就会需要氧气、食物和安全的住所。通过合成生物技术，航天员就可以运用标准化的生物元件制造细胞，来生成氧气，甚至砖块。这些细胞会分泌带黏性的分子植入模仿火星风化层的沙土后，将凝固成砖块。这项技术需要一整个试管的细胞、一点水和火星上的沙子，而其中只有一种原料需要从地球带过去。

当然，长期下来，真正能落实的合成生物还是太少。毕竟，理想中的合成生物成为现实，表现未必合乎预期。就像研发中的电子产品，按设计原本该出现清晰的数据输出，却常被系统噪声扰乱。生物传感器也好，药物或者是燃料也好，当前，依然有许多输出都受到阻挠。人们依然需要更沉着、务实的计划来发展合成生物技术。

另一个需要担忧的问题是，尽管合成生物学目前监管严格，用的是类似于监管转基因生物的策略，但是当合成生物产品涌入自然界，人们又该如何控制？在分子的层面人们能控制得很好，并不代表从个体和生态层面也能做到万无一失。

比如，人类确实可以将基因或者基因组的顺序打乱，来创造大自然还没来得及创造的东西，但是生物学单元不会孤立地存在。基因、蛋白质复合物以及细胞模块组成的单元复合体，它们总是在个体内部不断进化，以应对多变的环境。

模块可以循环交换，从而使系统具有可塑性。当然，这种可塑性必须遵守一定的规则，合成生物学正是构建在这些规则之上。人类真的已经对分子原则了如指掌，从而敢于将合成生物放归自然生态系统了吗？事实是，即使在实验室条件下，当然，人们对控制典型生物细胞分化的表观遗传过程还所知寥寥。

合成生物技术必然推动生态系统改变着它们的形式、功能和关系。我们可以在实验室中创造出看上去完美无瑕，表现也无可挑剔的生物单元，但是人类不能控制生态和进化将如何把合成生物单元重新连接到生态系统中，同样我们也不能预测合成单元会如何重新联系生态系统和它的栖居者。

“创造自然”当然是迷人的，但也是危险的。人类真的能在创造出的生物体上安装一个“停止进化”的开关吗？又该如何确定合成生物的可控？当工程化模块毁坏，或者它们转移到其他生物体上，又会导致什么样的结果？这些对于目前来说，都是不可想象的，但却是人们必然要面对的未来。（本文首发钛媒体APP）

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