组装生命

领导的一个团队宣布在细菌中设计了第一个人工“拨动开关”，可通过分子信号驱动或停止基因活动。另一篇论文是普林斯顿大学的科研人员所描述的一种合成定时开关，可通过彼此抑制的三个基因来控制基因活动。

大自然做来毫不费力的事情，人类模仿起来却显得相当笨拙，但有了可完成复杂任务的基因电路，研究人员可以走得更远。他们可以将基因电路与其他基因组件联结起来，就像电气工程师设计计算机芯片一样，来完成更复杂更精细的工作。

与银杏生物工作室隔着一条查尔斯河的生物技术大楼的二楼里，一些生物部件在这里加工成了复杂的机械。这里是麻省理工学院的合成生物学中心，众多的生物工程师们忙碌地进行着新颖而独特的编程工作——只不过他们编程的对象不是以电信号为基础的电路，而是以DNA为基础的生物电路。

克里斯托弗·沃伊特曾经是一名计算机程序员，他之所以转入合成生物学领域，是因为他认为这是极具挑战性的科技前沿。“能够以一种新的语言编写程序，让大肠杆菌来执行某组操作，这是极具挑战性的工作。”他说。

一开始，科学家并不清楚为生命编程的梦想是否能够真正实现。2000年代时，科学家已经可以将一些生物部分连接或重新连接，但并不具备实际的应用可能。如今这种情况正在开始改变。现在研究人员可以开发出更可靠的生物部件，更重要的是，可以用更多更复杂的方式将它们连接起来。“我们终于迎来了一个转折点。”沃伊特说道。

沃伊特和他的同事最近创建了迄今为止最大的合成基因电路，其中的四种“传感器”可探测到特定的环境输入，如：一种可探测到细胞中的氧气水平，另一种可感知葡萄糖水平。综合这些输入信息和其他提示，细胞就可决定是否要采取某个特定行动。

沃伊特和他的同事们希望这种类型的生物电路可应用于工业发酵池，大桶里面的细菌可以多种方式感知周围环境变化，然后调整其活动。一些非常基本的电路已在生物技术领域得到应用。将足够多的电路和程序以适当的方式结合起来，合成生物学有望在不远的将来进行更个人化的设计。就像早期的笨重电脑最终发展到了可放进你口袋里的智能手机，也许有一天，按个性化要求设计细胞将成为我们日常生活的一部分。

罗恩·韦斯读研究生时专攻计算机程序模拟生物胚胎发育变化。有一天他突发奇想，想要以他的计算机知识来对生物学过程进行编程。于是他来到奈特的办公室，要求加入刚刚崭露头角的合成生物学领域。经过一段时间每天花16小时奋发学习DNA基础知识，韦斯将他计算机编程的重点从工程学转到了合成生物学。

现在，韦斯的团队正在设计一种可以追踪和消灭癌细胞的“刺客细胞”。瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家贝奈森制作了一种合成生物电路，可感知检测到癌细胞中的一些化学物质含量。生物电路中含有人工合成的基因，携带着让癌细胞自杀的信息。携带有这种生物电路的细胞会积极寻找癌变细胞，一旦发现，“刺客细胞”就会启动开关，让癌细胞“自动”消失。

2011年，韦斯团队的论文显示，这种“癌细胞杀手电路”在实验室培养皿里的人类细胞实验中已获得成功，但要真正应用于治疗癌症患者，还有很长的路要走。科学家们首先需要找到一种方法将“癌细胞杀手”载入人体。“我们需要一些载体，如某种病毒，它可以进入细胞，然后检查每个细胞，看是否发生癌变。”韦斯说道。他的小组正在利用一种病毒在老鼠身上进行实验，如果成功的话，最终医生就能够将这种“生物电路”注入患者体内帮助治愈癌症。

韦斯还将目光放在了其他几种重要疾病上，如糖尿病病人需要定期注射胰岛素，韦斯认为，注入人体内的基因工程细胞就能做好这件事。他的团队初步从理论上展示了人工合成的基因电路如何将干细胞培育成为可产生胰岛素的细胞；加上人工合成的基因开关，就可根据需要来指挥细胞生产胰岛素。

合成生物学的应用前景

解决饥饿问题

合成生物学研究可以帮助农民养活更多的人。几千年来，人们一直在为提高农业收成而努力。转基因研究提高了农作物产量，增强了农作物对干旱和病虫害的抵抗能力。如今在合成生物学领域，科学家们正在考虑如何对植物内部的光合作用进行调整，以解决全球粮食问题。一种构想是，开发某些新颖的酶，促使植物更多地吸收来自太阳的能量。另一种构想是让植物拥有直接从大气中吸收碳的能力。在2012年4月的《应用和环境微生物学》杂志上，希尔瓦和她的同事在论文中报道说，基因工程细菌可帮助大幅提高农业收成。

生产替代能源

在早期的合成生物学研究中，人们希望生物燃料可帮助人类社会摆脱对于化石燃料的依赖。通过基因工程微生物来生产碳氢化合物，比开采和燃烧煤炭和石油更清洁，更有利于保护环境。自2000年以来，美国能源部已斥资数百万美元进行合成生物学生物燃料研究，如新型的藻类生物柴油或其他基因工程燃料。不过到目前为止，这项研究只取得了有限的进展。

治疗癌症等疾病

合成生物学研究的重要目标之一是让人类更健康。研制基因工程的新药，或能在人体内攻克疾病的基因工程细胞，从一开始就是该领域的目标。早期的成功例子之一是一种生物工程版本的抗疟疾药物，制药公司目前正致力于将这一成果推向市场。另一项对提高人类健康将产生重大影响的合成生物学研究，是利用经过生物工程改造的人类细胞来定位和消除癌细胞。虽然这项技术已在实验室培养皿中证实可行，但离实际应用于治疗癌症病人还有很长的路要走。

清理污染物

微生物已被用于石油泄漏事件的清理工作中，它们吃下石油成分，将其转换为危害较小的副产品。人工合成的基因工程细菌可以更好更快地完成这类污染清理工作。科学家的下一个目标是让人工合成细菌处理一些更顽固更难清除的污染物，如杀虫剂和放射性废物等。西班牙国家生物技术中心研究人员设计的生物电路，可让以糖为食的微生物改变它们的“口味”，改而以工业化学物质作为它们的“美食”。

合成生物学的崛起指日可待

合成生物学的另一项宏伟目标是帮助解决能源危机。最初，科学家提出了令人振奋的理论，将合成基因插入有机体的DNA中，让它分泌出生物柴油或其他石油替代品。包括银杏生物工作室在内的一些公司，目前仍然在为实现这一目标而努力。然而许多这类引人注目的项目，例如藻类生物燃料基因工程，都没有成功。多数情况下，以人工合成技术产生的微生物燃料在经济成本上无法与常规石油产品相竞争。

大多数合成生物学家认为，这只是前进路上不可避免的颠簸。哈佛大学的希尔瓦从当初的以合成生物学方法产生清洁燃烧的氢燃料，改为对植物内部的光合作用重新进行基因工程设计。希尔瓦曾经是一位分子生物学家，2000年代初期转而研究合成生物学。如今她开发的一种人工合成遗传基因设备，可用来跟踪检测细胞受到的辐射量等。

希尔瓦认为，合成生物学加快了一些实际应用的研究进展。尽管可能仍然落后于科学家的期望值，但毫无疑问的是，这一领域发展得很快。研究人员发明了许多比以前更经济、更便捷的装配人工合成生物部件的基因电路等新方法。

麻省理工学院的兰迪·雷特伯格认为，合成生物学的影响，就像互联网一样，需要几十年的时间才能全面显现出来。他说：“合成生物学的发展只有大约10年时间，而计算机网络技术从最初的美国国防部ARPA计算机网到万维网经历了大约25年时间。虽然互联网的诞生和普及花了很长的时间，但它的影响显然远远超过了人们之前所能想象的。”

雷特伯格的老朋友奈特以前也是一位电气工程师。奈特现在大部分时间都在银杏生物工作室，他的名片上简单地写着“DNA黑客”。在实验室自动化机器的呼呼背景声中，在测试新的基因工程生物零部件功能的过程中，奈特不断地酝酿着新的构想。他说，这是一项激动人心的事业。合成生物学将会成为下一个英特尔吗？让我们拭目以待。

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