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“合成生物學的五個硬道理”。從那時起，該領域取得了長足的進步。一些經濟評論家已經表明，合成生物學具有非常巨大的工業(yè)潛力。

合成生物學的目標是使生物系統(tǒng)的工程變得更容易、更可預測。它還旨在使積累的生物系統(tǒng)知識標準化，使其在合成生物學設計過程中發(fā)揮作用。人們經常爭論，生物系統(tǒng)不能像工程師考慮計算機主板或其他電子設備一樣被考慮。

應用于這些工程學科的概念不適用于生物學。在簡單的實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。

合成生物學基于模塊化、標準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計的遺傳電路與宿主生物體之間的相互作用是合理的擔憂。

合成生物學的一個重要目標是通過設計不與宿主系統(tǒng)相互作用的正交遺傳電路或通過使用定向進化等生物過程來優(yōu)化新設計電路的功能來控制復雜性，從而限制生物系統(tǒng)。

反對生物系統(tǒng)設計的另一個論點是魯棒性。由于細胞高度適應并存在復制、進化和/或執(zhí)行特定功能，例如在多細胞生物中，它們具有保護它們免受添加會擾亂其生存能力的遺傳物質的機制。

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

對于合成生物學家來說隨著時間的推移，自然宿主系統(tǒng)可能會損害所設計的合成生物電路的魯棒性和功能性。合成生物學的目標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，甚至隔離的細胞區(qū)室來定義耐受合成生物學設計的宿主細胞，這些區(qū)域將在最小的宿主效應下?lián)饺胄碌倪z傳物質。

這些區(qū)域可以被認為是“魯棒性島嶼”，盡管新合成生物學回路的設計功能將對宿主的耐受性產生因果影響，但使用自然生物機制來指導快速進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，因為任何復雜的合成生物學回路，例如多步生物合成途徑，都會給宿主代謝過程造成負擔。這種代謝負荷還將引起應激反應，從而再次影響新設計電路的穩(wěn)健性。

盡管合成生物學有一個被該領域大多數(shù)人接受的明確定義，但對該領域的真正本質仍然存在相當高的誤解。必須明確區(qū)分生命科學的各個領域和合成生物學本身。一個有用的例子是物理學和工程學之間的區(qū)別——物理學是工程學的基礎科學。

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

其他示例包括計算機建模和計算機輔助設計技術的應用。在許多情況下，來自其他領域的方法是為合成生物學定制的。通過借鑒其他領域的經驗相對較快地構建了技術基礎。

這是合成生物學一個非常有趣的方面。該標題下至少有兩個主要領域。第一個領域是直接適用于合成生物學的基礎科學知識的應用。一個例子是將合成DNA引入給定的宿主細胞，例如大腸桿菌。選擇目前用于合成生物學的宿主是因為已經積累了大量關于這些類型的細胞的知識，這些知識可直接應用于合成生物學。

第二個領域涉及零件或組件、設備和系統(tǒng)的概念。這種方法的一個例子是，生物系統(tǒng)的一個經過徹底研究的方面，純粹是為了了解生物學而進行研究的現(xiàn)在被視為合成生物學裝置的一部分。

這種方法基于這樣的概念：天然存在的生物實體具有可應用于合成生物學設計的有趣特性。一個例子與報告者有關。

綠色熒光蛋白通常構成合成生物學裝置的一部分，作為特定事件發(fā)生時間的可見指示器。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，并鑒定和分離了引起熒光的蛋白質。

學術基礎、生物知識和基礎科學都是對合成生物學領域的投入。該平臺技術可以應用于一系列應用領域。這主要是與工業(yè)應用相關的轉化過程。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。

一個重要的例子是可編程生物工廠的開發(fā)——其中細胞被視為一個制造單元。為了實現(xiàn)這一目標，用于應用的宿主細胞需要針對特定應用進行優(yōu)化。可編程生物工廠可以被認為大致相當于計算機控制的機器。

經過合成生物學設計過程修改的DNA是驅動宿主，即生物工廠，生產人類定義的產品的“軟件”。這里，DNA包含許多相互連接的組件，合成生物學裝置的DNA。當這種DNA被引入宿主時，它就會產生“裝置”。在工業(yè)背景下，這個過程將產生產品。

術語“平臺技術”是指一套可以應用于多個領域的工具和方法。要理解為什么這很重要，有必要考慮合成生物學的租戶之一——模塊化。與其他工程領域一樣，這里的策略是標準系統(tǒng)可以由標準設備生產，而標準設備又由標準零件生產。

與部件性能相關的是兩組信息——特征數(shù)據(jù)和有關實驗和其他條件的數(shù)據(jù)。兩組信息都與特定部件相關，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。

標準零件、設備和系統(tǒng)的定義和生產依賴于構成平臺技術的工具和程序。就零件和設備而言，這包括三個主要部分：宿主細胞、零件表征和DNA組裝。

特定生物部分的運作必須在給定宿主的背景下進行。在合成生物學中，設備或系統(tǒng)設計的過程是在特定宿主細胞的背景下完成的。這意味著盡可能詳細地了解宿主細胞。目前有許多細胞類型廣泛應用于合成生物學，例如大腸桿菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌。詳細信息和數(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、單細胞行為與群體細胞行為、代謝負荷和基本基因分析將是合成生物學中宿主細胞表征的關鍵方面。

為了遵循系統(tǒng)設計和模塊化的原則，零件的屬性及其功能行為必須得到非常好的表征。在準確的零件表征中，目標是確保該過程成為標準，以便在重現(xiàn)實驗條件時，可以在多個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、標準化的方法，將了解有關部件-主機兼容性的信息，以便可以建立在給定主機內具有定義的功能行為的標準部件集bvty寶威。值得注意的是，合成生物學電路設計中的重要控制行為可以使用一小組生物部分進行編碼。

在合成生物學設計中，DNA組裝是一項關鍵技術，因為復雜的DNA編碼設計需要組裝多個DNA序列。功能結果的優(yōu)化需要能夠隨機重組DNA序列以篩選最佳性能。

在所有情況下，目標都是通過穩(wěn)健的自動化裝配方法來實現(xiàn)裝配。具體組裝方法的詳細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，合成生物學中生物裝置的設計和構造包括通過標準部件的組裝來構建裝置。這種說法常常會導致誤解，其中從標準部件構建標準設備的概念被認為是簡單地將標準部件插入在一起，即所謂的即插即用。

這是對過程的嚴重過度簡化；這不是合成生物學中發(fā)生的情況，事實上，也不是許多工程領域中發(fā)生的情況。雖然許多工程設備和系統(tǒng)確實是由標準零件和設備構建的，但連接過程通常需要仔細考慮。

接口是確保兩個標準部件或隔離設備以明確定義的方式運行的過程，當它們結合起來時，這仍然是正確的。在工程學中，解決接口問題通常需要大量的時間和精力——在合成生物學中也是如此。

在生物設備或系統(tǒng)按照規(guī)范執(zhí)行之前，設計周期會經過多次迭代。在合成生物學中，還有一個額外的重要因素是該過程的一部分，即人類實踐。涉及領域廣泛包括倫理、環(huán)境和社會問題。它構成了負責任的創(chuàng)新和設計的一部分。

到目前為止已經描述的平臺技術——部件表征、宿主細胞和DNA組裝。完善平臺技術所缺少的部分是基于網絡的信息系統(tǒng)。SynBIS就是這種系統(tǒng)的一個例子。

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

其目標是，未來合成生物學設備和系統(tǒng)將由設計人員使用高級計算機代碼來設計。由于合成生物學電路是由DNA序列編碼的，因此有機會將這一過程進行計算。這個過程與計算機編程非常相似。

在基于軟件的設計中，設計人員通常使用高級計算機語言。例如C++進行工作。然后，該級別的代碼會自動轉換為中間級別的代碼，稱為匯編程序。最后轉換為機器代碼。正在為與系統(tǒng)設計相關的合成生物學提出類似的方案。

已經有許多學術和商業(yè)軟件包可應用于圖表的各個模塊。在不久的將來，這些以及其他用于合成生物學設計的軟件包將被集成到SynBIS等信息環(huán)境中。

如前所述，合成生物學中的系統(tǒng)設計使用模塊化、表征和標準化的工程原理。如果要準確地復制合成生物學裝置和系統(tǒng)，就必須對其進行標準化。在分子生物學和生物科學中，一般來說，標準很少。

這也包括生物技術，盡管有標準方案，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準。合成生物學領域的標準制定工作正在進行中。目前正在開發(fā)三個——SBOL、DICOM-SB和JBEI。

SBOL本質上是一種信息交換標準，描述合成生物學中使用的DNA成分。在這種情況下，SBOL標準定義了：詞匯表，一組首選術語，以及核心數(shù)據(jù)模型，一種通用計算表示形式。該標準的核心目前包括以下相互關聯(lián)的組件：樣本、物理DNA、零件、序列注釋、序列特征、細胞、載體和組裝格式。

目前正在研究開發(fā)DICOM標準的合成生物學擴展。DICOM是生物醫(yī)學領域非常成功的標準，它包含了許多與合成生物學要求兼容的功能。

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

這項工作是聯(lián)合生物能源研究所正在進行的工作的一部分，涉及他們的合成生物學小組。JBEI正在開發(fā)一個零件注冊表以及BioCAD工具。使用自動化工具和高通量液體處理機器人從登記處組裝零件也是該工作的一個特點。

這里描述的所有工作的共同特征是，它是在專業(yè)水平上進行的，即致力于實現(xiàn)合成生物學部件、設備和系統(tǒng)模塊化、完全表征和標準化的情況。

合成生物學的策略是開發(fā)可應用于廣泛領域的平臺技術。應用領域需要在不同時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)分應用項目的開發(fā)和在現(xiàn)有行業(yè)內建立新產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是盡早進入供應鏈。生物燃料就是一個例子。目前正在生產的生物燃料已經可以通過相對較小的變化進入供應鏈。從長遠發(fā)展來看，合成生物學很可能有助于解決對石化產品的依賴。

合成生物學在從石油原料轉向生物質原料方面發(fā)揮著重要作用。一個巨大的希望是合成生物學將帶來更加環(huán)保的產品。利用包括廢物在內的不同原料開發(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)模塊化設計方法，可以針對一系列應用修改基本設計。生物傳感器還可以用作生物過程設計和優(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品的產量。

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

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胞代謝，以便將來走向合理的工藝設計。監(jiān)測與生產率相關的代謝物，作為最佳工藝條件的間接衡量標準。

該策略的優(yōu)點是更具有普適性，因為大多數(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)生產系統(tǒng)中都很重要，并且經常使用分析化學技術在線監(jiān)測它們的利用率。

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

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

為了使振蕩器真正有用，在人類設計的生物設備中，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， 人類進行了各種嘗試來實現(xiàn)這一目標。

合成生物學是一個新領域，它基于標準化、模塊化和表征的工程原理，并結合系統(tǒng)設計。

合成生物學的一個重要驅動力，實際上也可能是其起源的關鍵，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)化是合成生物學的一個重要終點。

無論合成生物學的相對經濟增長數(shù)據(jù)如何，其經濟影響通常預計將非常顯著。