工程技术手段能够驯服复杂的生命系统吗？研究人员认为，生命分子的运作机制极为复杂，远不是操纵扳手、螺丝刀或晶体管所能比拟的。

□　夏无炎/编译

在一些对未来的描述中，合成生物学的前景超乎想象：也许要不了多久，研究人员就可以对细胞进行“编程”，从可再生能源中产生大量的生物燃料，检测毒素，根据身体需要释放精确数量的胰岛素，等等。

所有这些美好的未来前景都基于这样的认识：生物学家操纵基因工程就像工程师设计机器部件那样简单，只需定义基因“部件”的功能，将它们装配成具有更复杂功能的某种“装置”，然后将这些“装置”插入细胞中即可。

由于所有生命形式都建立在大致相同的遗传密码的基础之上，理论上，合成生物学可为之提供成套遗传基因组件“工具箱”——生物学版本的“晶体管”和“开关”，然后可随心所欲地将它们插接到“生物电路”上。

然而，操纵生命分子远非如此简单。“生命分子的运作机制极为复杂，远不是操纵扳手、螺丝刀或晶体管所能比拟的。”西雅图一家工程咨询和设计公司的负责人罗布·卡尔森说道。

合成生物学发展的每一个过程都面临着挑战，从生命“零部件”的定义，到整个系统的构建。然而困难阻挡不了该领域内执著的开拓者，他们已经开始着手迎接合成生物学领域的五大挑战。

挑战一：许多生物零部件尚未明确描述

一个生物“零部件”可以是从编码某个特定蛋白质的一段DNA序列，到促成基因表达启动子的任何东西。然而问题是，许多生命“零部件”的特征和功能都尚未得到清楚的描述，比如它们的功能是什么？在不同类型的细胞内，或在不同的实验室条件下，它们是否会有不同的表现？

麻省理工学院的标准生物部件注册中心，有着超过5000个可供订购的生物部件，但是据中心主任兰迪·雷特伯格说，它们的质量无法保证。这些生物部件样本中的大多数都出自参加国际基因工程机器设计大赛（iGEM）的大学生之手，该活动从2004年开始每年举办一次。参赛的学生或利用生物“工具箱”里的部件，或开发出新的生物部件，设计合成生物某种生物系统，但许多参赛者都没有足够的时间对这些生物部件进行详细的描述。

雷特伯格说，目前他们正在加大力度提高收集生物零部件的质量，鼓励呈报者同时提供描述生物零部件功能和特性的文档部分，并对样品进行DNA测序，以确保与他们的描述相符。与此同时，美国加州大学伯克利分校的合成生物学家亚当·阿金和杰伊·科斯林，以及斯坦福大学的德鲁·恩迪正在启动一个称为BIOFAB的新项目，专业开发和描述生物零部件。

然而，标准化测量的实施却比较困难，例如，在哺乳动物的细胞中，引入基因与细胞基因组整合的结果难以预测，并有可能影响到附近区域的基因表达。瑞士联邦理工学院（ETH）的合成生物学家马丁·傅森格说：“这种复杂性导致很难通过标准化方法对基因部件进行特征描述。”

挑战二：生物电路测试繁琐费时

即使每个生物零部件的功能都已知晓，但将它们组合在一起后，其功能也许不一定能如预期的那样。与其他可预测性更强的现代工程学科的设计过程相比较，合成生物学家往往不得不埋头于繁琐的试错过程中。

“我们仍像当年发明飞机的莱特兄弟那样，用木头和纸反复实验。”西班牙巴塞罗那基因组调控中心系统生物学家路易斯·塞拉诺说，“用一种东西制造的东西试飞一下，掉下来坠毁了，再用另一种东西试一下，也许飞得稍好一点。”

马萨诸塞州波士顿大学生物工程师吉姆·柯林斯和他的同事们在酵母实验中为了实现一个叫做“拨动开关”的系统，就经历了多次失败。他的团队想让细胞表达一种A基因，然后利用化学信号刺激关闭A基因，转而表达另一种B基因，但细胞一直拒绝表达B基因。柯林斯说，问题是控制这两种基因的启动子不平衡，因此A基因总是压过B基因。他说，他们将用3年时间的反复试验来进行调整。

计算机模拟可以帮助缩短这样的试错过程，2009年，柯林斯和他的同事创建了稍有不同几个版本的两个启动子，每一个版本都各自创建了一个基因定时器，即在一个特定的滞后时间后，系统将启动细胞的基因表达从一种基因转移到另一种基因。他们对定时器进行了测试，然后将结果反馈给计算机模型，预测其他版本基因定时器的表现。使用模型技术，研究人员可以利用计算机来进行优化测试，而不必对每一个版本逐一进行测试。

挑战三：生物系统构建复杂难测

随着生物电路越来越大，构建和检测过程也变得更为艰巨。科林斯的研究团队的抗疟药青蒿素前体物质化合物的研究项目，是合成生物学领域内经常被引用的一个成功例子。据科林斯估计，这一项目平均每年有150人参加，他们的工作包括发现和定义介入反应过程的所有基因，以及开发和完善控制这些基因表达的部件。例如，研究人员必须对之前产生的许多变异形式逐一进行测试，以寻找一种能充分提高产量的变异结构，达到清除有毒中间分子的目的。

“人们对这类项目望而生畏，因为它需要太多的时间和金钱。”马萨诸塞州波士顿新创公司银杏生物工作室的创始人雷什玛·谢蒂说道。为了解决类似的瓶颈问题，银杏生物工作室开发了一个将基因部件组合起来的自动化系统，预定义侧翼序列的基因零部件，由机器人根据一套被称为“生物积木标准”的规则组装起来。

在加州大学伯克利分校，合成生物学家克里斯托弗·安德森和他的同事正在开发一个让细菌来做这项工作的系统。经过基因改造的大肠杆菌细胞，被称为“装配”细胞，与酶配合在一起，可以进行DNA片断的切割与缝合。还有的大肠杆菌细胞则被基因改造成为“选择”细胞，从剩余的生物零部件中整理挑拣出完整的产品。安德森的团队还计划用一种类病毒的噬菌粒将DNA运送到选定的细胞内。安德森说道，这个系统可将组装一个“生物积木”的时间从2天缩短到3小时。

挑战四：许多生物零部件不相兼容

合成基因电路构建完毕并载入细胞之后，就有可能对宿主产生非预期的影响。加州大学旧金山分校合成生物学家克里斯·沃伊特2003年时就遇到了这样的问题。沃伊特将从枯草芽孢杆菌中提取的一些基因零部件装配成为一个开关系统，目的是让某些基因在化学刺激下作出反应，激活某种基因表达。他想研究一下这个系统是否可以不依赖于枯草芽孢杆菌，于是他将这个基因电路送入大肠杆菌，结果证明不行。

“在显微镜下可以发现这些细胞都变得病恹恹的，”沃伊特说，“今天表现这样，明天又是一个样。”通过查找文献他发现，生物电路的某个部件打乱了大肠杆菌的自然基因表达。“生物电路设计本身没有问题，只不过某个部件是不兼容的。”

美国北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的合成生物学家发现，即使是一个简单的、可启动自身基因表达的外源基因电路，也有可能引发宿主细胞的复杂行为。在大肠杆菌中被激活时，这个生物电路延缓了细胞的生长速度，基因蛋白质产物的稀释速度也随之放慢，导致某些细胞表达了这种基因，某些细胞则没有。

为了减少意外的相互作用，研究人员研究开发了一种独立于细胞自然机制之外的系统。英国剑桥大学分子生物学实验室的合成生物学家詹森·奇恩和他的同事在大肠杆菌中创建了一种独立于细胞内在系统的蛋白生产系统，该团队使用了一种可识别基因的聚合酶，专门识别天然细胞中不存在的基因。

奇恩说道，这样的系统可让生物学家在不破坏细胞存活机制的情况下，拥有将一些生物零部件任意“组合”的自由。例如，他的团队把编码O-核糖体部件的DNA序列拆分开来，以促进细胞以更快的速度制造蛋白质。

另一个解决方案是以物理手段将合成部分从细胞中分离出来。加州大学旧金山分校的合成生物学家温德尔·利姆的团队用酵母做了将基因电路隔离开来的实验，他说，这一方法也适用于细菌细胞。

合成生物学激起环保人士的公愤

澳大利亚的合成生物学家最近公布消息说，他们即将成功克隆30年前已在野外绝迹的一种青蛙。

与克隆技术一样，合成生物学在一些新闻媒体中被描绘成拥有无所不能的神奇能力，例如，让已经灭绝的长毛猛犸象重新复活，让19世纪之前曾翱翔在北美天空中的候鸽重新出现等。

但在不久前于英国剑桥大学召开的一次会议上，环保主义者和合成生物学家们讨论的是更为实际的问题，即如何开发更实用的技术，以造福人类和地球。例如：合成出能适应全球变暖的珊瑚礁，对污染敏感的土壤微生物，能阻止反刍动物打嗝释放甲烷温室气体的肠道微生物，以及能抵御真菌疾病威胁的青蛙，等等。

会议讨论中，生物学家和环保人士还发生了一些冲突。一位合成生物学家在会议上表示，他感觉自己好像被人当做一个不负责任的青少年，认为他可能会对地球造成意外的破坏。而当一位合成生物学家称，赞成合成生物学技术的人一定会赢，是因为他们比反对的人更年轻的时候，引起了环境保护论者的众怒。（第二天发表此言论的合成生物学家表示了道歉之意。）会议组织者多次呼吁大家礼让，并以供应免费葡萄酒之举来安抚众人情绪。

斯坦福大学的德鲁·恩迪被公认为是合成生物学领域的创始人之一，他认为，这样的争吵是一种迹象，表明合成生物学已经开始吸引各领域的关注与参与。但无论人们如何争议，事实将不辩自明。

举一个合成生物学能够提供环境保护的例子。英国牛津大学的学生克里斯托弗·舍尼等人将经过基因改造的大肠杆菌转移到植物根系中，产生一种植物生长激素。温室测试表明，包含了这种转基因细菌的十字花科植物比普通植物生长得更好，同时能让土壤保留更多的水分。这种细菌可能有助于防治土地荒漠化。

然而合成生物学的发展也令观察家们产生了一些担忧。美国罗格斯大学的地球微生物学家保罗·法尔克维斯基看到了能将二氧化碳转化为燃料的微生物，以及利用大气氮气生产肥料的微生物这两项技术的巨大价值，但他担心的是，工业规模的生产可能会产生某些极端后果，如释放大量温室气体。

剑桥大学环境保护生物学家比尔·萨瑟兰表示，合成生物学研究要慎重。但他同时说道，他在这次会议上的一项小规模民意调查表明，合成生物学家与环境保护论者之间的鸿沟并非如我们想象的那么深，双方都认同的一点是，合成生物学给我们带来的恩惠之一是可以更有效地利用自然资源，但同时也让我们产生了合成生物学发展有可能危害自然生态系统的担忧。

让合成生物学家和环保人士同样感到兴奋而又有些期待的一个问题是：复活灭绝很久的一些物种。“这是一个很有趣的研究课题，但与拯救世界无关。”萨瑟兰说道。

挑战五：生物系统的稳定性问题

合成生物学家还必须确保基因电路的可靠运行。细胞分子的活动很容易受到随机干扰的影响，生长条件的差异也有可能影响细胞行为，因此经过较长时间之后，随机出现的基因突变有可能完全破坏基因电路的功能。

10年前，加州理工学院的合成生物学家迈克尔·伊洛维兹通过他的团队构建了基因振荡器，用以观察细胞的随机能力。该系统中三个基因的相互作用，令一种荧光蛋白的产出量升高或降低，导致细胞明暗闪烁，但并非所有细胞的反应都一样，有的细胞亮一些，有的细胞暗一些；有的细胞明暗闪烁的频率较快，有的则较慢。

伊洛维兹认为，出现这种差异可能有多种原因，例如，细胞基因表达的方式是爆发式的，而不是稳步渐进的，细胞还可能包含许多不同的mRNA和蛋白质产生机制；另外，细胞中基因电路的拷贝份数也可能会随着时间的推移而产生波动。

哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇正在探索让细菌菌株更稳定的方法。丘奇说可通过引入更精确DNA复制机制等方式达到这一目的。尽管对简单的系统来说，稳定性可能并不是一个严重的问题，但随着更多的生物零部件被装配起来，这个问题将变得越来越重要。

尽管面临种种挑战，合成生物学家还是取得了许多进展。例如，研究人员开发出利用大肠杆菌计算一些生物学事件（如细胞的分裂次数）等，还有一些系统已经从细菌细胞发展到更为复杂的细胞。傅森格说，“合成生物学家开发更多实际应用的时代已经来到。”

例如，科林斯的青蒿素前体系统的商业化阶段已经启动。另外有几家公司也正在研究开发新技术，希望通过基因工程来改造微生物，使其生产出生物燃料。不过，合成生物学的大规模实际应用，仍然需要时间来实现。

随着DNA合成的成本持续下降，越来越多的人开始投入到合成生物零部件的研究之中，合成生物学将以更快的速度迅速发展起来。卡尔森说：“问题是，我们付出的种种努力是否能够最终战胜生物学的复杂性？”这个问题就让未来做出回答吧。