合成生物学|第一期：什么是合成生物学

这个系列是关于天津大学宋凯教授的《合成生物学导论》的学习笔记，将对合成生物学的概念、合成生物系统的设计、数学模拟与性能分析以及合成生物学基础与应用研究进行一个概括性记述与简单思考，主要目的是通过合成生物学这个前沿方向了解学科交叉融合现状与方法以及掌握工程性思路。学科交叉领域必将是未来创新型成果大量涌现的地带，我们可以以合成生物学这门前沿科学为契机，既简单了解一些生物学的相关知识，更通过这个系列的简单学习来加深对工程思想的认识，了解生物学与工程学是如何融合的。

1. 合成生物学的诞生：

1953年，克里克和沃森发现了DNA双螺旋结构，开始了解读生物遗传密码的第一步；2003年，人类基因组计划顺利完成，加快了生物遗传密码的解读……随着生物学与计算机科学的发展与普及，加上工程科学、数学、化学、物理学的一系列成果，生物学也开始走上了工程化与标准化的道路。顺着利用人工合成的生物系统进行工程性探索、建设、产出与落地的思路，诞生了一门新的学科——合成生物学。这个学科将使我们全面走向理解并改造遗传物质的新生物学时代，同时其强工程性、强学科交叉性的特点也将吸引更多领域的人才，诞生更多意想不到同时充满现实意义的成果。

2. 合成生物学的定义：

由于是一门新兴学科，现阶段合成生物学的定义仍然处于一个多元化阶段，但我们可以通过下面这种定义做一个简单的了解：

合成生物学是指按照一定的规律和已有的知识：（1）.设计和建造新的生物部件、装置和系统；（2）.重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的服务。

简单来说，合成生物学是一门通过设计生物学系统来解决现实问题的学科（而不是使用以物理或化学知识为主的传统方法），同时，工程性、标准化思维和通过数学模型方法指导设计与实验也是合成生物学的关键特点与方法。

3. 合成生物学研究内容简介：

作为一门重视工程性与标准性的学科，合成生物学研究内容可以被大致分为

研究或设计工程化、标准化的功能模块。
设计良好的接口使模块具有可拆装性。
设计或优化开发平台，实现模块在不同环境下的高稳定性与兼容性。
为生物模块设计调试系统与通信系统。
研究功能模块的仿真、预测软件。

这些内容可能使从事计算机科学相关工作的人（或者简单的说：写过程序的人）产生共鸣——其实合成生物学就是想用生物学方法写一些对内高耦合、对外低耦合、有良好API的函数以供解决实际问题，当我们产生需求时可以像使用Python解决问题时使用庞大的资源库一样，高效的用经过整合与标准化的模块进行工作，这样的过程也使我们在面临问题时的思路更加清晰、解决问题更加高效。

从生物学的内容来看，合成生物学主要的工作可以包括

生物基因组的人工合成、简化与重构；
蛋白质的工程化改造以及模块化；
遗传路线的设计与构建（使建造的遗传装置在给定条件下人为可控的表达基因产物）；
多细胞群体系统行为的平衡与调控；
对生物系统的数学模拟与功能检测；

这样的研究体系对一个最终的生物系统有自底向上的贯穿，涉及到系统原型设计、运行原理、工作方法、调控方法以及系统内交流机制等等的全方面覆盖。

4. 合成生物学的意义：

不同于传统生物，合成生物学结合了数学、计算机科学、工程设计等等其他学科，通过设计生物系统解决实际问题，用拓展性的方法加速人类对生物学以及生命的理解。

具体来说，包括

加速合成生物系统的工程化、标准化进程，用标准化思想及其产生的结果推动生物学整体的发展。
通过“合成”这一过程验证与加深对生物现象的理解，利用对生物系统的“合成”补充或加速生物现象的“分析”。

5. 合成生物学的工程本质：

标准化：不但现有的生物模块需要标准化（如实现基本功能的模块类的标准化以及所有模块组成的模块库的标准化），还包括不同生物模块之间的接口、模块的测量检验、提供的平台等等都需要标准化。这样的标准化将有力的支持一个活跃、高效、负责的生物学界。
解耦：类似于利用计算机程序解决某个问题时我们需要自顶向下将问题的解决过程分解为一个个解决某个基础问题的函数，并通过接口将这些函数组织起来解决复杂问题一样，在面对实际问题并希望使用生物学方法解决时，这个分解过程如何正确进行也是我们必须思考的。
抽提：由于生物系统具有天然的高度整合，其内部交流与行为方式错综复杂，而且一个系统往往会自我复制和通过突变等手段自我进化，所以生物系统的高度复杂性导致我们在对系统进行抽象以建立模型时需要将系统抽提、简化甚至重新设计，以获得清晰可靠的模型。理想的生物系统模型的各个抽象层次一定要有良好、清晰的定义，各层之间的低耦合是我们需要保证的。

6. 合成生物学与相关生物学科：

与遗传工程：合成生物学是直接建立在遗传工程之上的，但由于合成生物学的方法包括从头设计和建造生物体系，而遗传工程主要是聚焦于自然生物体系的改造，所以合成生物学可以看作遗传工程的进一步发展。相对于基因工程来说，合成生物学具有方法更加灵活、规模更加庞大的典型特点。
与功能基因组学、分子生物学、细胞生物学、系统生物学以及生物信息学：这些学科从不同的层次为合成生物学的发展提供理论依据，利用这些生物学科提供的基础，合成生物学可以完成自底向上、不同抽象层面的系统搭建，提供工程问题的生物学解决方法。

7. 相关国际学术活动简介：

合成生物学国际会议（Synthetic Biology x.0）：2004年美国麻省理工学院举行了第一届合成生物学国际会议，讨论如何推进合成生物学的发展。2006年起，合成生物学国际会议考试扩大规模、讨论合成生物学可能引起的社会问题等其方向，并在此后进一步走出美国，在世界各地召开。
2008年10月，第四届合成生物学国际会议在中国香港成功举办。
国际遗传机器大赛（international Genetically Engineered Machine Competition，iGEM）：有麻省理工学院自2003年发起的一项以本科生为主要参赛对象的竞赛，鼓励参赛者进行创新、以创造新的生物系统为目的，将简单的基因模块植入细胞以构造复杂生物组件、装置和系统。自2005年起，比赛开始走出MIT，走向全世界优秀大学生中。
2006年，合成生物学登陆中国，2007年多所优秀大学组成的内地代表队赴美参赛。

8. 合成生物学的道德规范：人类 = 造物主？

一. 成生物学可能引发的社会问题：

1. 人类是否应该创造生命？

合成生物学的研究目标之一就是创造（对人类有益的）人工生命。合成生物学家可能将扮演“造物主”，创造出自然进化法则下从未诞生甚至不敢诞生的生命形式。这一创造过程的争论在于科学家能否扮演上帝等等一系列深层次的哲学与宗教思考。

2. 合成生物学的发展会不会导致生物武器的滥用？

合成生物学可以利用微生物作为工厂生产对人有益的蛋白质，同样也可以生产动植物毒素甚至细菌毒素，或者人工合成病原体（这方面技术障碍极大，现阶段难以实现）。而美国中央情报局曾就这种想法（及生物武器的未来发展）做出过评估：工程化的生物制品可能比任何人类已知的疾病都可怕。事实上，合成生物学的确有可能影响未来的军事能力。

3. 合成生物体排放到自然环境会带来什么后果？

人工合成的新物种存在非自然的功能优势，同时作为生物体也可能会因为与自然生物或环境发生作用而产生意想不到的突变或其它有害性产物。这一切都将造成极大的不确定性：人工生物体会不会发展出完全战胜自然生物体的能力？在自然选择中的绝对优势可能意味着无限增殖、彻底改变或摧毁生态系统。面对这类问题，现有的评估方法已经力不从心，评估体系急需变革。

4. 生物专利的垄断权有多大？

1980年，美国最高法院曾经规定“只要一个人设计的并非时自然界已有的生物就可以申请专利”。这样的专利将带来极大的权力，在某个现实领域做出的突破（比如燃料的生物工程化生产）背后具有垄断性的巨额财富，而这样的权力也将影响生物学界的学术健康与发展。事实上，塞莱拉公司就曾企图抢在“国际人类基因组计划”之前完成人类基因组图谱以申请专利、获取垄断地位。

二. 如何面对未知？

合成生物学是一门新兴学科，其技术上依旧存在许多障碍，需要获得突破性进展。同时，合成生物学的前景也是未知的，其的确可能对人类造成威胁。对待这种威胁，合成生物学界已经形成合成生物学发展需要合理的道德规范、国际调控与实际行动的共识。现阶段，已有一些政府与非政府组织开始了对合成生物学的社会、安全、道德监督。应对这些问题时，我们需要有力的监督组织以及国家与世界范围内的共享平台，在合成生物学界内部也应该采取技术措施，降低合成生物在自然界可能具有的竞争力。同时，我们需要结合现实作出理性判断与调和，不应过于武断、草率的做出论断。

与此同时，在这些争论中，生物学界必须做好带头作用，避免非理性的公众争论导致的不信任阻碍合成生物学的正常发展。