隨著中醫(yī)科學院中藥研究所首席研究員屠呦呦獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的消息后，更多人關(guān)注了青蒿素。因為發(fā)現(xiàn)青蒿素——一種用于治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發(fā)展中國家的數(shù)百萬人的生命，而這還要歸功于另一個幕后英雄：一種方興未艾的技術(shù)——合成生物學。

青蒿素是從青蒿中提取的有過氧基團的倍半萜內(nèi)酯藥物。可惜的是，野生青蒿的青蒿素含量普遍過低，導致青蒿素提取產(chǎn)量低，無法滿足醫(yī)療需求。而科學家利用合成生物學手段，在大腸桿菌和酵母中合成出青蒿素的前體物質(zhì)“青蒿酸”，大幅增加了青蒿素產(chǎn)量。

合成生物學的魔力也讓人類難以抑制成為“造物主”的沖動。“一個[much]理想的狀態(tài)是，你想要什么細胞，我就能給你造出什么細胞。”中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院院長裴端卿這樣描述著一幅未來細胞制備的場景。

當然，就目前來看，要想做到隨心所欲地制造細胞還為時尚早。

全新的“造物”時代 植物如何使用水、空氣和陽光來為自身提供能量，就像人類如何利用各種零件組裝電子產(chǎn)品一樣充滿想象力。如今，生物工程師們正在撰寫新代碼，希望利用生物學的強大力量設(shè)計出新技術(shù)來制造細胞，從而將生物學從無法預(yù)知的領(lǐng)域帶入可預(yù)測的“細胞工廠”。

合成生物學就是利用人工合成的方法，對現(xiàn)有、天然存在的生物系統(tǒng)進行重新設(shè)計和改造，通過人工方法創(chuàng)造自然界不存在的“人造生命”。

“我們每個人都是由十個10次方的細胞組成的，但是總體都是由一個細胞來的，這個細胞就是受精卵，它經(jīng)過十月懷胎變成嬰兒，這是個不可逆的過程。”在裴端卿看來，每一個細胞都有自己的命運，決定了它的基因組結(jié)構(gòu)以及調(diào)控規(guī)律。

但是他認為，當把這種不可逆的過程變?yōu)榭赡妫簿褪钦f通過設(shè)計一套全新的、更有趣的方案，打破“所有細胞都從以前的細胞來”的傳統(tǒng)說法，隨心所欲的造出一個新細胞來，那將是一項非常有意義的工作。

合成生物學就在落實著這項工作。而進入數(shù)據(jù)化時代后，海量信息積累在那里，合成生物學甚至可以上升到工程學的范疇。

“我們會從工程化的高度來看待基因，看待模塊，把它做成標準化零件，就如同各種不同的機械配件一樣，也如同拼圖一樣可以擺出各種圖片。”在接受《中國科學報》記者采訪時，中科院院士、武漢生物技術(shù)研究院院長鄧子新形容道。

可以說，與基因工程把一個物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一個物種的做法不同，合成生物學的目的在于建立人工生物系統(tǒng)，讓它們像電路一樣運行。

“合成生物學發(fā)展至今，實際上對應(yīng)用科學將更為有的放矢，具有能夠更理性化地進行人工改造和設(shè)計的高級思維，這將對今后的生命科學產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的推動和發(fā)展。”鄧子新說。

代謝網(wǎng)絡(luò)是生命之根 可以預(yù)見的是，合成生物學有望生產(chǎn)出一些超常規(guī)的產(chǎn)品，甚至再造各種不同的器官、組織，這種技術(shù)給未來指明了一條提高工業(yè)生物技術(shù)競爭力、降低生物制造成本、改造生命體的可能的道路，在醫(yī)藥、能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)都具有驚人應(yīng)用潛力。

目前要想做到隨心所欲制造細胞還為時尚早。正如鄧子新所述：“今天進入了合成生物學時代，并不意味著就可以按照我們的意向把什么東西都拿來合成、進行人工的想象，它還需要許多基礎(chǔ)研究的積累，比如代謝組學等。”

鄧子新告訴記者，人類的整個生命活動都要經(jīng)過一系列的代謝過程，這張復雜的代謝網(wǎng)絡(luò)必須研究到位后，我們才可能隨心所欲地人工設(shè)計組織器官，人工設(shè)計全新的化合物。

鄧子新認為，合成生物學構(gòu)成了應(yīng)用代謝科學的高級技術(shù)集成，合成生物學的繁榮亟待建立成熟的代謝科學體系實現(xiàn)不斷研制轉(zhuǎn)變。從宏觀到微觀全面地了解細胞是怎么發(fā)生作用，才能構(gòu)建新的生物體系，才能從基礎(chǔ)科學研究發(fā)展到實用科學研究。“代謝科學將成生命動能核心驅(qū)動力和新一輪大科學計劃的聚焦點。所以代謝科學是生命之根，才能催生現(xiàn)代合成生物學產(chǎn)業(yè)。”鄧子新說。不過，對于合成代謝網(wǎng)絡(luò)而言，在異源宿主中均需要確保編碼代謝途徑的多個基因的協(xié)調(diào)與平衡，所以，對代謝網(wǎng)絡(luò)相關(guān)基因及調(diào)節(jié)元件的合理篩選仍然是一個挑戰(zhàn)。“面對目前海量的數(shù)據(jù)庫，如果不對基因進行細致的分析和分類，就不能夠加以利用，做成合成生物學模塊。不能為我們所用，某種程度上就是廢物。”鄧子新說。

生物元件亟待標準化基本生物元件的組裝使得生物合成路徑成為可能，但是，組裝生命遠不像組裝電路那樣簡單。合成基因電路構(gòu)建完畢并載入細胞之后，就有可能對宿主產(chǎn)生非預(yù)期的影響，許多生物元件不相兼容，這就給組裝生命帶來挑戰(zhàn)。

美國加州大學舊金山分校合成生物學家克里斯·沃伊特就曾經(jīng)遇到過這樣的問題。沃伊特將從枯草芽孢桿菌中提取的一些基因零部件裝配成為一個開關(guān)系統(tǒng)，目的是讓某些基因在化學刺激下作出反應(yīng)，激活某種基因表達。

于是，他將這個基因電路送入大腸桿菌，結(jié)果在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)這些細胞都變得病懨懨的，每天的表現(xiàn)也都不一樣。他發(fā)現(xiàn)，生物電路的某個部件打亂了大腸桿菌的自然基因表達，也就是說，生物電路設(shè)計本身沒有問題，只不過某個部件是不兼容的。

業(yè)內(nèi)人士的共識是，生物要想像機器一樣可以“組裝”，那么就必須解決元件的標準化和適配性問題。

“我們要分別了解在各個不同方面利用的時候的基因特點，所以我們要做成標準化的產(chǎn)品，就像電視、手機要用到標準的產(chǎn)品一樣，我們要做出兼容的生物零件，使它成為更有效率、更有利用價值的功能化的模塊。”鄧子新說。

在發(fā)展標準化合成生物元件的過程中，也有很多的方法和原則。比如，可以在已知生物基因組中發(fā)掘生物合成路徑并加以利用，或者可以從頭設(shè)計從未有過的新的合成途徑。另外，也有專家稱，開發(fā)標準化的表達系統(tǒng)和基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)也很重要，因為這會使表達元件在不同的生物體中轉(zhuǎn)移，能使得合成的分子來源于不同生物，具有不同的生物活性。

“合成生物學也是現(xiàn)在生物學比較理想的狀況，在植物、微生物領(lǐng)域都有可能實現(xiàn)生物產(chǎn)品的人工設(shè)計。這是高速發(fā)展的領(lǐng)域，因為處于發(fā)展初期，社會期待值很高，從孵化、催化階段，真正走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還需要相當長時間的積累深化。”鄧子新說。所有說合成生物成為“造物主”為時尚早。