国防科普加油站（25）合成生物学：重新设计生命的工具

2014年4月1日，美国国防部先进研究项目局（ DARPA ）诞生了一个新机构：生物技术办公室（BTO）。这个新机构有一个重要研究方向，就是利用生命系统的合成能力，研发比先进的传统化学手段还要优越的技术，构造具有全新功能的生物系统，为国家安全提供支持。

这一信息的披露，又将人们的目光投向了一个全新的研究领域――合成生物学。现在，就让我们来揭开它的神秘面纱。

让生命灵活设计

合成生物学，一个陌生而又熟悉的名字。如果套用当下的一句流行用语，它是一个“低调奢华有内涵”的学科名称。这是因为，它已悄无声息地蔓延到各个学科领域，扮演着上帝创造生命的角色。

作为21世纪刚刚出现的一个生物科学分支学科，它与传统生物学从上而下通过层层解剖和解析生命体，来研究其内在构造的办法相反，它是将生命尤其是单细胞生命视为执行生理功能的零部件，自下而上，通过组装后重新构建新的生命体系。

它也不同于基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的做法，其目的在于通过组装各种生命部件来从头建立人工生物体系，让这些部件象电路中的元器件一样，在生物体内运行，使生物体能按预先设计的方式完成各种生物学功能。

它的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。科学家可以凭借最前沿的生物技术，重新设计和合成人工的基因组，甚至有可能创造新的物种，或者说是创造新的生命，实现神奇的新功能。合成生物学的奇妙，也就在于此。

重新设计生命的工具

可能有人会问，地球上所有的生命都是亿万年进化的产物，都是通过自然选择雕琢出来的杰作，何须再对它们进行重新设计呢？

事实上也是如此，基因作为生物进化的物质基础和主体，作为生命的蓝图，它在履行物种生存和延续的职责上已经做得几乎无可挑剔。但是，人类需要的是什么呢？绝不仅仅是维持一个繁荣的生物圈，因为在数千年前，我们拥有过生物多样性更丰富的地球。正如恩格斯关于人和动物区别的论述――“人和动物最大的区别是制造并使用工具”，人类试图将任何对大自然的认识都转变为能够使用的工具。

其实，随着现代科学技术的发展，人们期望能够通过重新设计生命的技术，来解决过去无法解决的很多问题。通过对生命系统中我们感兴趣的功能模块进行重新设计和构建，让现有的生命系统具备更多的能力，获得为人类服务的更大潜能，这就是为什么我们需要对生命进行新的设计和构建，而要将生命系统转变为一个具有无限潜力的工具，就得依靠合成生物学与合成生物技术。

合成的生命系统到底如何造福人类呢？举个现实的例子吧。疟疾，是一种顽固的热带流行病，至今仍在各大洲肆虐，据统计，2010年全球约2.2亿人感染疟疾，其中66万人死亡，大多数为儿童。在治疗疟疾的过程中，中国的科学家发现了一种能够治疗疟疾的青蒿素，被人们特别是非洲人称为“中国神药”。青蒿素生产原来一直由植物中提取，产量低、成本高，每个疗程的用药大约需要10美元左右，这对非洲贫困地区的人和家庭是难以长期承担的。2006年，美国科学家将整个青蒿酸的代谢系统相关基因在酵母菌中重新构建，使其具备了合成青蒿酸的能力，从而大幅提高了青蒿素的生产能力，显著降低成本，提高产量，成为人类对抗疟疾数千年来的重要里程碑事件。

在地球上数十亿年的生命延续中，生命体总是不断地适应地球上千变万化的自然环境，并具备了各种各样的生存发展能力。这些，其实都是基因通过无意识的自然选择做到的。如果我们能够运用神奇的合成生物学技术，有针对性地对生命尤其是单细胞生命进行重新设计和构建，不仅有机会获得更多“神药”，呵护人类的健康，而且能让人的生命系统具备更加多样的能力，生产新材料、新能源，在合成生物学领域，只有想不到，没有做不到的事，因为，基因的多样性使它具有无穷的潜力。

创造人工生命的曙光

2010年，著名学术期刊《科学》杂志公布了世界上首例合成生命“辛西娅”。美国生物学家文特尔的研究小组通过10多年的研究和探索，成功地将蕈状支原体的基因组，“拷贝”到了被挖空的山羊支原体细胞内，并让它重新活了过来。这就是世界上第一个完全由人工合成的生物――“辛西娅”。

辛西娅的诞生，是人类创造的生命吗？或者说，人类已经具备创造生命的能力了吗？对此，科学家并不持这样的观点，他们认为，辛西娅只能称为人类合成的生命，而不是创造的生命，这里面的区别就在于是否“原创”。如果将它与文学创作做一个类比，合成的辛西娅只是将别人的作品抄了一遍，并在里面做了标记，并不属于原创。因此，也就谈不上是创造了一个生命。辛西娅的诞生只能说是人类已经掌握了书写基因的笔，却缺乏的是一个充满创作灵感的“大脑”，以人类目前对生命系统的理解水平，还只能算是学龄前孩子的语言水平和抄写能力，也就是说，生物学家们现在还只能认识部分基因的结构和功能，认识一些相对简单的由基因构成的路径和网络。

即便这样，辛西娅的诞生，还是轰动了世界，毕竟，她是地球上一个全新的生命，拥有的是人工赋予的遗传物质。有学者指出，在人类史中，人们第一次利用最基本的建筑材料，从一个个字母开始，开始掌握了书写生命的密码，已经可以复制出人工生命了。同时，我们也能够预见，通过系统生物学的不断发展，人类对生命系统和基因有了足够充分的认识后，以基因为基本砖块搭建“高楼大厦”的日子指日可待。合成生物学将达到其最高境界――创造新的人工生命。

影响未来战争的利器

新的技术发明总是能在战争中找到合适的位置，合成生物学技术在国防领域的应用潜力同样受到了密切的关注。

蜘蛛织网，目的在于捕食谋生，在日常生活中的应用，大概就是小朋友偶尔用来粘住知了。但蜘蛛丝的良好弹性，还是引起了人们对军事防护材料的兴趣，问题是，蜘蛛不能向蚕一样大规模饲养、吐丝、纺织，如果要让军队每一名将士都穿上蜘蛛丝的“软猬甲”，目前还只能出现在科幻小说中。不过，这一异想天开的想法，有了实质性的进展，国外科学家已运用合成生物学有关原理，在微生物中合成了蛛丝蛋白，使蛛丝蛋白进行规模化生产成为了可能。尽管这一进展现在看起来还微不足道，却表明新生命系统的设计与构建在军事上应用是完全可行的。

2011年6月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）宣布了 “生物铸造（Living Foundries）”项目，其目有就在于将标准化的生命元件组装为全新的工程微生物，再利用它来实现各种具有军事应用潜力的生物功能。他们认为，这一技术平台的建立将有助于通过生物系统获得“新材料、新能力、能源和药物”。有资料显示，国外的研究人员已经通过合成的工程微生物，实现了可再生燃料的生产。如通过微生物的合成生物学改造，使微生物能产生生物柴油，用于车辆、军舰甚至飞机的燃料供应，从而有效改善能源结构。

专家指出，在军事应用需求牵引下，合成生物学的发展有望在以下几个方面实现突破：一是构建新的代谢系统，实现特殊物质的生物合成，满足新能源、新材料、新药物的需求；二是构建新的生物信号系统，实现对环境因子有针对性的响应，满足高效传感和探测的需求；三是构建新的优势物种，调节、控制微生物群落，在生态水平掌握和控制环境中的生物因素，实现对战场环境中有害因素的治理，以及对有利因素的最大化利用。所以，合成生物学的发展，将是未来战场上不可忽视的力量。（作者：张东裔，柳珑 来源:国防科技大学“科普中国”共建基地）