序言

我們站在歷史頂點(diǎn)

俯瞰合成生物學(xué)的藝術(shù)

在浩瀚的歷史長(zhǎng)河中，生命的奧秘始終籠罩在科學(xué)的迷霧中。然而，今天我們站在一個(gè)全新的高度，目光不僅僅是對(duì)過(guò)去的回望，更是對(duì)未來(lái)的展望。合成生物學(xué)，這一跨越傳統(tǒng)生物學(xué)邊界的前沿學(xué)科，已經(jīng)成為理解并重塑生命的關(guān)鍵。它不僅代表著技術(shù)上的革新，更是對(duì)生命本質(zhì)的一次深刻反思。

合成生物學(xué)的核心理念是將生命視作一種可編程的系統(tǒng)，利用工程化手段對(duì)基因、細(xì)胞乃至整個(gè)生物體進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。從最初的基因編輯到如今的人工細(xì)胞工廠，合成生物學(xué)為人類提供了重新定義生命的全新框架。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們正站在歷史的頂點(diǎn)，俯瞰這片前所未見(jiàn)的生物藝術(shù)天地。

正如計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生為信息時(shí)代打開(kāi)了大門，合成生物學(xué)將為人類文明帶來(lái)可持續(xù)未來(lái)的鑰匙。當(dāng)細(xì)胞工廠能夠取代傳統(tǒng)的工業(yè)流水線，生物成為我們可以編程、調(diào)控的材料，地球的資源利用和環(huán)境治理將迎來(lái)革命性的變革。讓我們從“讀懂生命”開(kāi)始，邁入“編寫生命”的偉大旅程。

01 生物的合成 ——從基因編輯到模塊重構(gòu)

如果說(shuō)基因是生命的語(yǔ)言，那么基因編輯技術(shù)就是我們與生命對(duì)話的橋梁。在過(guò)去的幾十年里，基因組學(xué)取得了飛速發(fā)展，基因的讀取、修改和重組已經(jīng)從科學(xué)幻想走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。然而，基因的改變只是生命重構(gòu)的第一步——真正的挑戰(zhàn)在于如何將生命的基本構(gòu)件重新編排，創(chuàng)造出全新的生物功能。

合成生物學(xué)賦予了我們?cè)O(shè)計(jì)生命的能力。我們不再僅僅是“發(fā)現(xiàn)生命”，而是能夠主動(dòng)“設(shè)計(jì)生命”。

從基因編輯到基因重構(gòu)，從微生物工廠到人工DNA模塊，我們正在構(gòu)建新的生命模塊，構(gòu)建新的“生命代碼”。這些模塊化的DNA工程化部件，像樂(lè)高積木一樣，通過(guò)精確的組合和調(diào)控，可以創(chuàng)造出預(yù)定的功能和特性。

可編程細(xì)胞是這一思想的核心。通過(guò)對(duì)細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控，我們能夠賦予細(xì)胞新的功能，如生產(chǎn)藥物、分解污染物、合成生物材料等。微生物工廠的崛起，意味著我們可以用細(xì)菌、酵母等微生物替代傳統(tǒng)化學(xué)工藝，進(jìn)行高效、低成本的生產(chǎn)。這些微生物不僅僅是自然界的產(chǎn)物，它們被重新設(shè)計(jì)為生產(chǎn)特定物質(zhì)的“細(xì)胞工廠”，這些“工廠”在全球范圍內(nèi)進(jìn)行著分布式生產(chǎn)，解決能源、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)亞細(xì)胞區(qū)室工程策略，成功突破了檀香醇合成中的細(xì)胞色素P450酶催化瓶頸，利用P450酶過(guò)氧化物酶體表面展示技術(shù)，構(gòu)建了高效生產(chǎn)的酵母細(xì)胞工廠。在5升發(fā)酵罐中，他們成功實(shí)現(xiàn)了10.4 g/L的檀香醇產(chǎn)量，創(chuàng)下了文獻(xiàn)中最高的產(chǎn)量記錄，為檀香精油的綠色低成本生物制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

工程化酵母過(guò)氧化物酶體生產(chǎn)檀香精油 [1]

生命=模塊+算法+目標(biāo)——這句話概括了合成生物學(xué)的核心思想。我們用精確的算法和設(shè)計(jì)，按照目標(biāo)功能來(lái)搭建生命的“模塊”，并通過(guò)基因和細(xì)胞工程不斷優(yōu)化這些模塊，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)定的生物學(xué)功能。這不僅是生物學(xué)的突破，更是科技與自然界結(jié)合的全新模式。

02 合成的生物 ——從“造生命”到“新生命”

“生命”的定義一直以來(lái)都受到哲學(xué)家和科學(xué)家的探討。傳統(tǒng)生物學(xué)認(rèn)為，生命的產(chǎn)生是自然演化的結(jié)果，而合成生物學(xué)卻突破了這一界限。我們不僅在“造生命”，更在創(chuàng)造“新生命”。這些新生命體并非單純的克隆品，而是全新的、具有前所未有功能的生物體。

ICGEB公司通過(guò)將綠藻（Chlamydomonas reinhardtii）的LCIA和LCIB基因引入Parachlorella kessleri-I中，成功構(gòu)建了具備碳濃縮機(jī)制（CCM）的超吸碳藻株。改造后的藻株能夠在高濃度二氧化碳環(huán)境中生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速度是野生型的兩倍，碳捕獲酶活性提升了1.5倍，脂質(zhì)產(chǎn)量也達(dá)到野生型的2.5倍，展現(xiàn)了其在高碳環(huán)境下的卓越吸碳能力和適應(yīng)性[2]。

吸碳藻類是合成生物學(xué)中一個(gè)具有重要意義的成果。通過(guò)基因工程改造藻類細(xì)胞，使其能夠更高效地吸收二氧化碳，不僅能對(duì)抗全球變暖，還能提供一種全新的碳捕獲和利用方式。這些“吸碳”生物體將為解決氣候變化提供一條創(chuàng)新的路徑。

抗病毒細(xì)胞則是另一項(xiàng)革命性進(jìn)展。通過(guò)基因編輯，我們可以創(chuàng)建細(xì)胞，賦予它們抵抗病毒的能力。這種新型細(xì)胞不僅能夠自我保護(hù)，還能主動(dòng)識(shí)別并摧毀病毒，是應(yīng)對(duì)未來(lái)大規(guī)模病毒傳播的潛在利器。

智能遞送系統(tǒng)是合成生物學(xué)與納米技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。通過(guò)設(shè)計(jì)微生物或細(xì)胞，攜帶藥物或其它分子，以極高的精確度將其遞送到體內(nèi)特定區(qū)域。相比傳統(tǒng)的藥物輸送方式，這種智能遞送系統(tǒng)具有更高的靶向性和療效，能夠大大提高治療的成功率。

這些新生命體不僅改變了我們的生產(chǎn)方式，也讓我們對(duì)生命的定義有了全新的認(rèn)識(shí)。它們不再只是克隆技術(shù)下的復(fù)制品，而是從根本上改變了生命的功能，成為新物種、新技術(shù)，甚至是新文明的種子。

03 合成生物的自主合成 ——生命自我進(jìn)化的開(kāi)啟

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，合成生物學(xué)的疆界已經(jīng)不再僅限于創(chuàng)造新的生物體。我們正邁向一個(gè)全新的階段——合成體開(kāi)始合成生命，生命不再僅僅依賴自然的演化規(guī)律，而是開(kāi)始進(jìn)入人工進(jìn)化的時(shí)代。

人造智能細(xì)胞是這一進(jìn)程的先鋒。通過(guò)將人工智能與基因工程相結(jié)合，我們不僅能夠設(shè)計(jì)出具有特定功能的細(xì)胞，還能夠讓這些細(xì)胞在不斷變化的環(huán)境中自主調(diào)整自身的行為。這些智能細(xì)胞能夠根據(jù)外界信號(hào)進(jìn)行自我優(yōu)化，甚至在沒(méi)有外部干預(yù)的情況下完成基因的自我修復(fù)和功能的自我提升。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)解明岐教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“智能細(xì)胞”系統(tǒng)，將診斷與藥物生產(chǎn)功能嵌入細(xì)胞程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化診療，特別適用于代謝疾病的治療。這一系統(tǒng)展示了細(xì)胞工程與人工智能的深度融合。團(tuán)隊(duì)通過(guò)編輯哺乳動(dòng)物細(xì)胞的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，使細(xì)胞具備新的功能，如自動(dòng)合成胰島素等藥物蛋白，以實(shí)現(xiàn)糖尿病等疾病的自動(dòng)化醫(yī)療[3]。

自動(dòng)設(shè)計(jì)基因路徑是另一項(xiàng)突破。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算生物學(xué)的結(jié)合，我們可以自動(dòng)化地設(shè)計(jì)并優(yōu)化基因編輯路徑。過(guò)去，基因設(shè)計(jì)需要大量的實(shí)驗(yàn)和試錯(cuò)，而如今，計(jì)算機(jī)可以基于龐大的數(shù)據(jù)集，預(yù)測(cè)最優(yōu)的基因設(shè)計(jì)方案。這意味著我們可以更高效地創(chuàng)造出符合需求的生物體，極大地加速生命科學(xué)的進(jìn)步。

隨著自我復(fù)制+功能迭代系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，生命開(kāi)始進(jìn)入了人工進(jìn)化的軌道。這些合成生命體不僅能夠在特定條件下自我復(fù)制，還能通過(guò)基因編輯和功能迭代實(shí)現(xiàn)進(jìn)化。未來(lái)，這些自我進(jìn)化的生命將成為生產(chǎn)、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，甚至可能在某些方面超越自然界的進(jìn)化速度和效率。

尾聲

合成生物學(xué)并非僅僅是一個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域，它已經(jīng)成為推動(dòng)人類文明前進(jìn)的關(guān)鍵力量。我們正站在一個(gè)歷史的臨界點(diǎn)，迎接技術(shù)的奇點(diǎn)，迎接文明的轉(zhuǎn)折。我們不再僅僅是自然界的旁觀者，而是生命的創(chuàng)造者、改造者和進(jìn)化者。正如偉大的科學(xué)家所言：“生命的工程師”時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，而這一切，正是我們?cè)谶@里、在此時(shí)、在此地，邁出的第一步。

Reference

[1]Wang, D., Li, W., Ma, X., Li, R., Yang, T., Li, R., ... & Dai, Z. (2025). Enhanced Production of Santalols by Engineering the Cytochrome P450 Enzyme to the Peroxisomal Surface in Yeast. Journal of Agricultural and Food Chemistry.

[2]Ghosh, S. (2024, October 10). Boosting algae's carbon absorption. Nature.

[3]徐珊. (2020). 24小時(shí)自動(dòng)診療“智能細(xì)胞”想把醫(yī)生搬進(jìn)你身體.西湖大學(xué).