日本公司Spiber對細菌進行了重編程，用來制作生產服裝的蛛絲。

從進化的角度講，酵母與制作止痛劑可謂風馬牛不相及。但是通過對這種微生物的基因重新進行編輯，美國斯坦福大學科學家Christina Smolke使其地擁有了這一功能，Smolke團隊用糖作為一種原料，將酵母轉變成了一個“生物工廠”，生產出了有效的止痛劑*。

這是合成生物學的有名案例之一。在此過程中，科學家對細胞進行了重編程，復制出自然界中發(fā)現的物質，甚至是生成了自然界有機物從未正式生成過的物質。

合成生物學家雄心勃勃。“我們都喜歡想象這樣一個世界，在那里我們能夠用生物學方法，反復、快速地按需生產任何產品。”伊利諾伊州西北大學合成生物學家Michael Jewett說。各個團隊正在通過基因編輯酵母、細菌和其他細胞，制作塑料、生物質能源、醫(yī)藥以及纖維，其目標是建立比工業(yè)同行更加廉價、簡便、可持續(xù)的生命工廠。例如，日本鶴岡市生物材料公司Spiber，已經通過重新編程細菌加工出蛛絲，可用于制作堅韌且輕便的冬裝。

但是合成生物學家要做的不僅僅是制作材料，他們正在通過把部分基因“接通”成電路，從而制作非常復雜的結構。這些新領域已經擁有一些成功的案例，但是當前把基因組件結合在一起，需要大量的推測，其中具有相當大的不確定性。為了促進該領域的進步，學術界和產業(yè)界必須就可靠的基因組件工具箱以及組織它們的策略達成一致。

由于DNA基因測序價格的大幅下降，合成生物學家可以通過大量基因數據選擇有用的基因。“生物學給我們提供了一個大到難以想象的可供選擇的閱覽室。”麻省理工學院合成生物學家Christopher Voigt說。其中的一個數據庫，如美國國家生物技術信息中心的基因庫，就包含著超過1.9億個來自10萬個有機物的DNA序列。

擁有無數合成DNA片段可供支配，合成生物學家便可以盡情地從事他們的研究。Voigt對這樣的前景抱有極大熱情：“生物學讓人著迷的一點是，做同一件事情可以有很多種方法，作為一名基因工程師，你可以選擇zui簡便的設計途徑。”如果要實現設定的工業(yè)目標，那么基因組件就必須具備始終如一的特點。“總體來看，生物學面臨的一個關鍵問題是，缺乏可再生能力。”英國倫敦帝國學院系統(tǒng)與合成生物學研究所負責人Richard Kitney說，“合成生物學領域的這個問題*讓人難以接受，因為如果要進行工業(yè)轉化，就必須擁有可復制性。”

美國國家標準和技術中心(NIST)去年3月啟動了合成生物學標準聯(lián)盟，其目的是在學術機構和工業(yè)界使合成生物學設計、記錄以及組裝過程標準化。在英國，Kitney也在協(xié)調類似工作，DICOM(醫(yī)學數字成像和交流)的醫(yī)學信息共享標準將會擴展到包括合成生物學在內。與此同時，一個團隊已經開發(fā)了SBOL(合成生物學開放語言)，為研究人員提供描述基因組件和電路的標準詞匯。

細胞軟件

由于自動化程度的提高，現在制作合成DNA組件比以前更加簡便和容易。但是將哪些部分相連，形成可以協(xié)同工作的基因電路，用來提供復雜的、像計算機一樣的行為仍是一項挑戰(zhàn)。“任何時候，在生理上連接DNA時，你都是在那個界面上創(chuàng)建一個新序列。因為DNA的信息含量是如此之大，你能夠以此創(chuàng)建一個新的啟動子或是改變RNA的開端。”Voigt說。

即便是仔細設計的電路也可能發(fā)生故障，導致生物電路內部基因元素之間不希望的基因表達或是干擾，而這樣的后果在計算機模型中很難預見。“合成生物學界在很大程度上就像是在一個我們難以預測結果的世界里工作，當我們在構建它們的時候，不知道系統(tǒng)內部會發(fā)生什么。”馬薩諸塞州波士頓銀杏生物工作室共同創(chuàng)始人Reshma Shetty說。

這種不確定性意味著，通過基因工程編輯一個合成系統(tǒng)的很多步驟需要進行測試和優(yōu)化。從建造人工DNA到將其插入一個微生物體，軟件工具和機械系統(tǒng)正在加速這一過程中的每個環(huán)節(jié)。“你可以利用高通量原型構建每個變量，并抱著它們中總有一個能夠達標的期望。”該領域、加州大學伯克利分校生化工程師Jay Keasling說。自動化推力已經讓大量合成生物研究中心和企業(yè)裝備“生物鑄造”設施，從而讓自動化生產線可以在比人工操作大得多的規(guī)模上生產、測量以及優(yōu)化微生物。

生物鑄造廠正在讓合成生物學家開始實施雄心勃勃的項目。麻省理工學院—博德研究院鑄造中心共同負責人Voigt舉了一個例子，他們利用與瑞士制藥公司——諾華的一項合作，生產了大量由人類腸道中的細菌生成的分子。

一些生物學家對匆忙擴展規(guī)模以及自動化生產持懷疑態(tài)度，他們贊成側重理論驅動的策略。但是SynbiCITE共同負責人Kitney認為，自動化在合成生物學發(fā)展過程中是不可避免的一步。“你可以迅速地同時進行一系列的實驗，以此了解哪些配置可以更好地發(fā)揮作用。”他說。

宿主

實驗室普遍使用的模式生物，如啤酒酵母、大腸桿菌，都曾被合成生物學家“征用”。合成生物學很多突破性進展都是用這些有機物實現的。例如，Keasling及其合作者2003年在加州共同成立的公司Amyris重新對啤酒酵母進行了編輯，制作出抗瘧疾化合物*。

但是這些普通的實驗室有機物并不適合發(fā)展成工業(yè)化的規(guī)模。尋找更好的選擇方式讓科學家開始搜尋更加模糊的地方。“越來越多的科學家在嘗試神秘的有機物，我認為啤酒酵母和大腸桿菌的使用量正在下降。”Voigt說。

在一些地方，理想的選擇可能是那些能夠經受嚴酷生產狀況的有機物，Keasling說。“可能你在加工一些有毒的揮發(fā)性物質，因此你如果有一種有機物能夠在相對高溫下生成這種物質，那么在制作它的時候，可能會將其煮沸。”科學家還在進行實驗，觀察是否能夠給微生物喂食碳而不是糖來生產產品。馬里蘭州合成生物學公司Intrexon正在利用以甲烷為食物的細菌，這是一種比以糖為基礎更加廉價、有效的碳基產品。

醫(yī)療細胞

涉及到醫(yī)療應用領域，合成生物學家正在對哺乳動物細胞而不是微生物進行基因編輯。這種設計使細胞能夠生成對抗疾病的藥物，或是為那些患有糖尿病等代謝性紊亂的人進行某些生理任務。但是基因編輯哺乳動物細胞存在一系列的挑戰(zhàn)。“我們在酵母方面擁有的工具在哺乳動物細胞那里都沒有作用。”Smolke說，“我們沒有足夠用于調節(jié)基因表達或蛋白修飾的激活子或是工具。”

zui早培育的工具是像腫瘤一樣、無限增殖的細胞株，其本質上是有缺陷的，因此不能代表健康組織。來源于組織的原始細胞又很難培育及操作，不同種類的細胞會讓構建可用于整個機體的工具包的嘗試發(fā)生混亂。“在腎臟細胞中發(fā)揮作用的物質不一定能夠在肺部或是肝臟中發(fā)揮作用。”瑞士聯(lián)邦理工學院Martin Fussenegger說。為了克服這一問題，該團隊正在編輯“人工基因電路”，它可以被植入宿主細胞的患病處。

修改基因也會帶來問題。即便是“智能”基因編輯工具，如將目標修改基因引入特定DNA位點的CRISPR-Cas9技術，也可能會帶來不可預測的結果。“我們對人體細胞的軌跡了解得仍然不夠，比如在哪里插入修改基因后不會產生干擾。”Fussenegger說。他的團隊正在通過引入鑲嵌在DNA合成回路中的被稱為質粒的基因網絡，而不是整體直接植入染色體的方法，探索是否能夠避免這種不必要的問題。作為一項額外的預防措施，他用小鼠進行的實驗基本上是利用經過基因工程編輯的、包裹在植入囊中的細胞，而不是對小鼠的組織進行編輯。

目前，這一領域仍處于嬰兒期。實際上，zui早的基因編輯回路案例在2000年初才開始出現，其復雜程度令人生畏。盡管如此，越來越多從事傳統(tǒng)分子生物學研究的科學家都非常熱切地希望，能夠嘗試這種基因設計。從麻省理工學院合成生物學家Ron Weiss的在線課程可以看出該領域的受歡迎度。“我們有大約1.4萬人注冊。”他說。

進入該領域的大門帶來的利益可能非常巨大。“我的從事的這一領域，對于生物學可以做的事情來說，其可拓展的前沿是無限的。”Shetty說，“那些新前沿在哪里打開，只是技術到達哪一步的問題。”