文丨十二樓的德安

編輯丨十二樓的德安

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《自然》雜志上有一篇文章,，題為“合成生物學(xué)的五個(gè)硬道理”,。從那時(shí)起，該領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步,。一些經(jīng)濟(jì)評論家已經(jīng)表明，合成生物學(xué)具有非常巨大的工業(yè)潛力,。

合成生物學(xué)的目標(biāo)是使生物系統(tǒng)的工程變得更容易,、更可預(yù)測。它還旨在使積累的生物系統(tǒng)知識標(biāo)準(zhǔn)化,，使其在合成生物學(xué)設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮作用,。人們經(jīng)常爭論，生物系統(tǒng)不能像工程師考慮計(jì)算機(jī)主板或其他電子設(shè)備一樣被考慮,。

應(yīng)用于這些工程學(xué)科的概念不適用于生物學(xué),。在簡單的實(shí)踐層面上這可能是正確的，但在概念和戰(zhàn)略上存在許多共同點(diǎn),。

合成生物學(xué)基于模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化和表征的工程原則。生物系統(tǒng)中的背景依賴性問題以及新設(shè)計(jì)的遺傳電路與宿主生物體之間的相互作用是合理的擔(dān)憂,。

合成生物學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)是通過設(shè)計(jì)不與宿主系統(tǒng)相互作用的正交遺傳電路或通過使用定向進(jìn)化等生物過程來優(yōu)化新設(shè)計(jì)電路的功能來控制復(fù)雜性,，從而限制生物系統(tǒng)。

反對生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)論點(diǎn)是魯棒性,。由于細(xì)胞高度適應(yīng)并存在復(fù)制,、進(jìn)化和/或執(zhí)行特定功能,，例如在多細(xì)胞生物中，它們具有保護(hù)它們免受添加會擾亂其生存能力的遺傳物質(zhì)的機(jī)制,。

例如,，細(xì)菌利用宿主限制性修飾系統(tǒng)，其中外源DNA被細(xì)菌編碼的酶快速降解,。分子生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)某些克隆質(zhì)粒中突變的隨機(jī)積累,，其產(chǎn)物在克隆過程中對細(xì)胞有毒，從而被宿主細(xì)胞突變,。

對于合成生物學(xué)家來說隨著時(shí)間的推移,，自然宿主系統(tǒng)可能會損害所設(shè)計(jì)的合成生物電路的魯棒性和功能性。合成生物學(xué)的目標(biāo)之一是通過最小化其自然系統(tǒng)或通過定義宿主基因組的區(qū)域,，甚至隔離的細(xì)胞區(qū)室來定義耐受合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的宿主細(xì)胞,，這些區(qū)域?qū)⒃谧钚〉乃拗餍?yīng)下?lián)饺胄碌倪z傳物質(zhì)。

這些區(qū)域可以被認(rèn)為是“魯棒性島嶼”,，盡管新合成生物學(xué)回路的設(shè)計(jì)功能將對宿主的耐受性產(chǎn)生因果影響,，但使用自然生物機(jī)制來指導(dǎo)快速進(jìn)化或選擇將能夠建立更魯棒的系統(tǒng)。

這也延伸到宿主系統(tǒng)的新陳代謝,，因?yàn)槿魏螐?fù)雜的合成生物學(xué)回路,，例如多步生物合成途徑，都會給宿主代謝過程造成負(fù)擔(dān),。這種代謝負(fù)荷還將引起應(yīng)激反應(yīng),，從而再次影響新設(shè)計(jì)電路的穩(wěn)健性。

盡管合成生物學(xué)有一個(gè)被該領(lǐng)域大多數(shù)人接受的明確定義,，但對該領(lǐng)域的真正本質(zhì)仍然存在相當(dāng)高的誤解,。必須明確區(qū)分生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域和合成生物學(xué)本身。一個(gè)有用的例子是物理學(xué)和工程學(xué)之間的區(qū)別——物理學(xué)是工程學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)。

合成生物學(xué)中使用的許多方法和技術(shù)都源自其他領(lǐng)域——這適用于生命科學(xué)和物理科學(xué),。例如,，如果沒有快速的基因測序和可靠的DNA合成，合成生物學(xué)就不可能實(shí)現(xiàn),。

其他示例包括計(jì)算機(jī)建模和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。在許多情況下,，來自其他領(lǐng)域的方法是為合成生物學(xué)定制的,。通過借鑒其他領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)相對較快地構(gòu)建了技術(shù)基礎(chǔ)。

這是合成生物學(xué)一個(gè)非常有趣的方面,。該標(biāo)題下至少有兩個(gè)主要領(lǐng)域,。第一個(gè)領(lǐng)域是直接適用于合成生物學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)知識的應(yīng)用。一個(gè)例子是將合成DNA引入給定的宿主細(xì)胞,，例如大腸桿菌,。選擇目前用于合成生物學(xué)的宿主是因?yàn)橐呀?jīng)積累了大量關(guān)于這些類型的細(xì)胞的知識，這些知識可直接應(yīng)用于合成生物學(xué),。

第二個(gè)領(lǐng)域涉及零件或組件,、設(shè)備和系統(tǒng)的概念。這種方法的一個(gè)例子是,，生物系統(tǒng)的一個(gè)經(jīng)過徹底研究的方面,，純粹是為了了解生物學(xué)而進(jìn)行研究的現(xiàn)在被視為合成生物學(xué)裝置的一部分。

這種方法基于這樣的概念：天然存在的生物實(shí)體具有可應(yīng)用于合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的有趣特性。一個(gè)例子與報(bào)告者有關(guān),。

綠色熒光蛋白通常構(gòu)成合成生物學(xué)裝置的一部分,，作為特定事件發(fā)生時(shí)間的可見指示器。GFP最初是在天然熒光水母中發(fā)現(xiàn)的,。研究了它們的生物學(xué),，并鑒定和分離了引起熒光的蛋白質(zhì)。

學(xué)術(shù)基礎(chǔ),、生物知識和基礎(chǔ)科學(xué)都是對合成生物學(xué)領(lǐng)域的投入,。該平臺技術(shù)可以應(yīng)用于一系列應(yīng)用領(lǐng)域。這主要是與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的轉(zhuǎn)化過程,。為了使這一過程有效,，需要開發(fā)新的工業(yè)工程方法并修改現(xiàn)有方法。

一個(gè)重要的例子是可編程生物工廠的開發(fā)——其中細(xì)胞被視為一個(gè)制造單元,。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，用于應(yīng)用的宿主細(xì)胞需要針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。可編程生物工廠可以被認(rèn)為大致相當(dāng)于計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器,。

經(jīng)過合成生物學(xué)設(shè)計(jì)過程修改的DNA是驅(qū)動宿主,，即生物工廠，生產(chǎn)人類定義的產(chǎn)品的“軟件”,。這里,，DNA包含許多相互連接的組件，合成生物學(xué)裝置的DNA,。當(dāng)這種DNA被引入宿主時(shí),，它就會產(chǎn)生“裝置”。在工業(yè)背景下,，這個(gè)過程將產(chǎn)生產(chǎn)品,。

術(shù)語“平臺技術(shù)”是指一套可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的工具和方法,。要理解為什么這很重要，有必要考慮合成生物學(xué)的租戶之一——模塊化,。與其他工程領(lǐng)域一樣,，這里的策略是標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)可以由標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備生產(chǎn)，而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備又由標(biāo)準(zhǔn)零件生產(chǎn),。

與部件性能相關(guān)的是兩組信息——特征數(shù)據(jù)和有關(guān)實(shí)驗(yàn)和其他條件的數(shù)據(jù),。兩組信息都與特定部件相關(guān)，并存儲在注冊表中,。登記處可能包含DNA的物理部分,；DNA部分序列將簡單地以電子方式存儲。注冊表包括數(shù)據(jù)庫,。

標(biāo)準(zhǔn)零件、設(shè)備和系統(tǒng)的定義和生產(chǎn)依賴于構(gòu)成平臺技術(shù)的工具和程序,。就零件和設(shè)備而言,，這包括三個(gè)主要部分：宿主細(xì)胞、零件表征和DNA組裝,。

特定生物部分的運(yùn)作必須在給定宿主的背景下進(jìn)行,。在合成生物學(xué)中，設(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程是在特定宿主細(xì)胞的背景下完成的,。這意味著盡可能詳細(xì)地了解宿主細(xì)胞,。目前有許多細(xì)胞類型廣泛應(yīng)用于合成生物學(xué)，例如大腸桿菌,、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌,。詳細(xì)信息和數(shù)據(jù)存儲在注冊表中并針對特定部分使用。具體而言,，生長特征,、單細(xì)胞行為與群體細(xì)胞行為,、代謝負(fù)荷和基本基因分析將是合成生物學(xué)中宿主細(xì)胞表征的關(guān)鍵方面。

為了遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊化的原則,，零件的屬性及其功能行為必須得到非常好的表征,。在準(zhǔn)確的零件表征中，目標(biāo)是確保該過程成為標(biāo)準(zhǔn),，以便在重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件時(shí),，可以在多個(gè)不同的位置獲得給定零件的相同表征數(shù)據(jù)。

通過系統(tǒng)化,、標(biāo)準(zhǔn)化的方法,，將了解有關(guān)部件-主機(jī)兼容性的信息，以便可以建立在給定主機(jī)內(nèi)具有定義的功能行為的標(biāo)準(zhǔn)部件集bvty寶威,。值得注意的是,，合成生物學(xué)電路設(shè)計(jì)中的重要控制行為可以使用一小組生物部分進(jìn)行編碼。

在合成生物學(xué)設(shè)計(jì)中,，DNA組裝是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),，因?yàn)閺?fù)雜的DNA編碼設(shè)計(jì)需要組裝多個(gè)DNA序列。功能結(jié)果的優(yōu)化需要能夠隨機(jī)重組DNA序列以篩選最佳性能,。

在所有情況下,，目標(biāo)都是通過穩(wěn)健的自動化裝配方法來實(shí)現(xiàn)裝配。具體組裝方法的詳細(xì)信息超出了本文的范圍,；兩種最常用的方法是BioBricks和Gibson,。

從概念上講,，合成生物學(xué)中生物裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)造包括通過標(biāo)準(zhǔn)部件的組裝來構(gòu)建裝置。這種說法常常會導(dǎo)致誤解,，其中從標(biāo)準(zhǔn)部件構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的概念被認(rèn)為是簡單地將標(biāo)準(zhǔn)部件插入在一起,，即所謂的即插即用。

這是對過程的嚴(yán)重過度簡化,；這不是合成生物學(xué)中發(fā)生的情況,，事實(shí)上，也不是許多工程領(lǐng)域中發(fā)生的情況,。雖然許多工程設(shè)備和系統(tǒng)確實(shí)是由標(biāo)準(zhǔn)零件和設(shè)備構(gòu)建的,，但連接過程通常需要仔細(xì)考慮。

接口是確保兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件或隔離設(shè)備以明確定義的方式運(yùn)行的過程,，當(dāng)它們結(jié)合起來時(shí)，這仍然是正確的,。在工程學(xué)中,，解決接口問題通常需要大量的時(shí)間和精力——在合成生物學(xué)中也是如此。

在生物設(shè)備或系統(tǒng)按照規(guī)范執(zhí)行之前，設(shè)計(jì)周期會經(jīng)過多次迭代,。在合成生物學(xué)中,，還有一個(gè)額外的重要因素是該過程的一部分，即人類實(shí)踐,。涉及領(lǐng)域廣泛包括倫理,、環(huán)境和社會問題。它構(gòu)成了負(fù)責(zé)任的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)的一部分,。

到目前為止已經(jīng)描述的平臺技術(shù)——部件表征,、宿主細(xì)胞和DNA組裝。完善平臺技術(shù)所缺少的部分是基于網(wǎng)絡(luò)的信息系統(tǒng),。SynBIS就是這種系統(tǒng)的一個(gè)例子,。

它不僅能夠整合表征、宿主細(xì)胞和DNA組裝信息,，還能夠整合模型和BioCAD工具,。SynBIS具有四層架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)界面層,、通信層,、專業(yè)軟件層和SQL數(shù)據(jù)庫層。SynBIS將允許合成生物學(xué)界開源訪問各種零件數(shù)據(jù)和模型,。

其目標(biāo)是,，未來合成生物學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)將由設(shè)計(jì)人員使用高級計(jì)算機(jī)代碼來設(shè)計(jì),。由于合成生物學(xué)電路是由DNA序列編碼的，因此有機(jī)會將這一過程進(jìn)行計(jì)算,。這個(gè)過程與計(jì)算機(jī)編程非常相似,。

在基于軟件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常使用高級計(jì)算機(jī)語言,。例如C++進(jìn)行工作,。然后，該級別的代碼會自動轉(zhuǎn)換為中間級別的代碼,，稱為匯編程序,。最后轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼。正在為與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的合成生物學(xué)提出類似的方案,。

已經(jīng)有許多學(xué)術(shù)和商業(yè)軟件包可應(yīng)用于圖表的各個(gè)模塊,。在不久的將來，這些以及其他用于合成生物學(xué)設(shè)計(jì)的軟件包將被集成到SynBIS等信息環(huán)境中,。

如前所述，合成生物學(xué)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用模塊化,、表征和標(biāo)準(zhǔn)化的工程原理,。如果要準(zhǔn)確地復(fù)制合成生物學(xué)裝置和系統(tǒng)，就必須對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,。在分子生物學(xué)和生物科學(xué)中,，一般來說,，標(biāo)準(zhǔn)很少。

這也包括生物技術(shù),，盡管有標(biāo)準(zhǔn)方案,，但在工程生物功能方面沒有可以記錄和研究人員之間交換的標(biāo)準(zhǔn)。合成生物學(xué)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在進(jìn)行中,。目前正在開發(fā)三個(gè)——SBOL,、DICOM-SB和JBEI。

SBOL本質(zhì)上是一種信息交換標(biāo)準(zhǔn),，描述合成生物學(xué)中使用的DNA成分,。在這種情況下，SBOL標(biāo)準(zhǔn)定義了：詞匯表,，一組首選術(shù)語,，以及核心數(shù)據(jù)模型，一種通用計(jì)算表示形式,。該標(biāo)準(zhǔn)的核心目前包括以下相互關(guān)聯(lián)的組件：樣本,、物理DNA,、零件,、序列注釋、序列特征,、細(xì)胞,、載體和組裝格式,。

目前正在研究開發(fā)DICOM標(biāo)準(zhǔn)的合成生物學(xué)擴(kuò)展,。DICOM是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域非常成功的標(biāo)準(zhǔn)，它包含了許多與合成生物學(xué)要求兼容的功能,。

DICOM的另一個(gè)功能是存儲和交換數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的能力,。還可以合并基于網(wǎng)絡(luò)的查看器。DICOM-SB和SBOL之間存在許多兼容性領(lǐng)域,。

這項(xiàng)工作是聯(lián)合生物能源研究所正在進(jìn)行的工作的一部分,，涉及他們的合成生物學(xué)小組。JBEI正在開發(fā)一個(gè)零件注冊表以及BioCAD工具,。使用自動化工具和高通量液體處理機(jī)器人從登記處組裝零件也是該工作的一個(gè)特點(diǎn),。

這里描述的所有工作的共同特征是，它是在專業(yè)水平上進(jìn)行的,，即致力于實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)部件,、設(shè)備和系統(tǒng)模塊化、完全表征和標(biāo)準(zhǔn)化的情況,。

合成生物學(xué)的策略是開發(fā)可應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域的平臺技術(shù),。應(yīng)用領(lǐng)域需要在不同時(shí)間尺度的背景下看待：短，3-5年,，中,，5-10年，長,，10年以上,。這里重要的是區(qū)分應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)和在現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)建立新產(chǎn)品管道的能力以及新行業(yè)的發(fā)展。

在許多情況下的目標(biāo)是盡早進(jìn)入供應(yīng)鏈,。生物燃料就是一個(gè)例子,。目前正在生產(chǎn)的生物燃料已經(jīng)可以通過相對較小的變化進(jìn)入供應(yīng)鏈。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看,，合成生物學(xué)很可能有助于解決對石化產(chǎn)品的依賴,。

合成生物學(xué)在從石油原料轉(zhuǎn)向生物質(zhì)原料方面發(fā)揮著重要作用。一個(gè)巨大的希望是合成生物學(xué)將帶來更加環(huán)保的產(chǎn)品,。利用包括廢物在內(nèi)的不同原料開發(fā)新能源,。需要開發(fā)基于生物的等同物，例如生物塑料,。

用于檢測水中的寄生蟲,。由于采用了系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法，可以針對一系列應(yīng)用修改基本設(shè)計(jì)。生物傳感器還可以用作生物過程設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工具,。在任何生物制造過程中,，可以改變一系列條件以增加或減少所需產(chǎn)品的產(chǎn)量。

其中包括溫度,、pH值,、溶解氧張力和關(guān)鍵營養(yǎng)素的可用性。在許多行業(yè)中,，生物工藝開發(fā)的重點(diǎn)是對這些變量的組合探索,，以確定哪種組合可以產(chǎn)生最大的產(chǎn)品產(chǎn)量。

生物傳感器可用于輔助工藝開發(fā),，還可以更好地了解工藝變量如何影響細(xì)胞代謝,，以便將來走向合理的工藝設(shè)計(jì)。監(jiān)測與生產(chǎn)率相關(guān)的代謝物,，作為最佳工藝條件的間接衡量標(biāo)準(zhǔn),。

該策略的優(yōu)點(diǎn)是更具有普適性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)都會對某些代謝物感興趣,。葡萄糖,、谷氨酰胺、氨和乳酸等代謝物在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中都很重要,，并且經(jīng)常使用分析化學(xué)技術(shù)在線監(jiān)測它們的利用率,。

合成生物學(xué)還允許開發(fā)用于監(jiān)測這些關(guān)鍵變量的基因編碼解決方案,，并且還允許測量細(xì)胞內(nèi)濃度，這對于某些應(yīng)用來說更具信息性,。

與電子數(shù)字設(shè)備一樣，生物設(shè)備的控制也需要時(shí)鐘,。受控生物振蕩器領(lǐng)域多年來一直是合成生物學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的話題,。一個(gè)早期眾所周知的例子是Repressilator，它由反饋環(huán)路中的三個(gè)基因組成——這實(shí)際上是一種環(huán)形振蕩器,，它使用綠色熒光蛋白作為報(bào)告基因,。

為了使振蕩器真正有用，在人類設(shè)計(jì)的生物設(shè)備中,，它們必須在頻率和幅度方面可控且穩(wěn)定,，并且具有高信噪比。自壓制器問世以來,， 人類進(jìn)行了各種嘗試來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),。

合成生物學(xué)是一個(gè)新領(lǐng)域，它基于標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化和表征的工程原理,，并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

合成生物學(xué)的一個(gè)重要驅(qū)動力，實(shí)際上也可能是其起源的關(guān)鍵,，是日益低成本和可靠的基因測序和合成方法的開發(fā),，這些方法正在廣泛商業(yè)化。

工業(yè)化是合成生物學(xué)的一個(gè)重要終點(diǎn),。

無論合成生物學(xué)的相對經(jīng)濟(jì)增長數(shù)據(jù)如何,，其經(jīng)濟(jì)影響通常預(yù)計(jì)將非常顯著。