合成生物学:开启生命科学“会聚”研究新时代

作者：杨超月

自然科学是研究自然现象和自然界各种物质形态、结构、性质及其运动和发展的各门学科的总称，包括天文学、物理学、化学、地学和生物学等。数学因其研究对象的特殊性（从自然到社会的一切“数”的问题的抽象）和思维逻辑的特殊性（形式逻辑的“自洽”），不属于自然科学范畴，却是各门学科的重要基础。物质存在和运动的状态可以从空间、时间两个维度来观测和研究，因此，自然科学各学科也可以在这两个维度上“划分”各自的领域。

与各门学科一样，生物学起步于观测和描述。由于生命现象自身的复杂性，19世纪末，虽然人们在以往对生物及生物运动（如，生长、生殖、发酵等）观测与研究的基础上，开始对细胞形态结构的认识、对遗传规律的抽象、对生物进化概念的理解上有了革命性的突破，但生物学尚未能实现在整体上向研究其普遍的构成本质及运动规律的“生命科学”的飞跃。20世纪上半叶，微观层面的生物化学、细胞生物学和发育生物学，宏观层面的生态学和进化生物学等的形成与发展，推动生物学从以分类描述为特征的传统科学向以机制研究为核心的现代科学转变。以此为基础，20世纪中叶以来，生命科学研究在技术、认知和能力方面接连爆发了“分子生物学”“基因组学”和“会聚”研究三次革命。

“生命是什么？生命如何起源，又如何演化？”这既是涉及人类健康生存与繁衍、社会发展与和谐的基本科学问题，也是人类每个文明体系都必须回答的哲学问题。尽管以还原论为主导的现代生命科学技术，特别是以DNA双螺旋结构解析为基础的分子遗传学研究，确定了生命运动的“中心法则”（central dogma），又通过以基因组全面解析以及相关“组学”数据为基础的系统生物学分析，对生物体组成和生命运动规律的认识达到了前所未有的深度和精度，但是对生命起源、演化（进化）以及生命本质的认识还远远不够。21世纪初，工程学思想策略与现代生物学、系统科学及合成科学的融合，形成了以采用标准化表征的生物学部件，在理性设计指导下，重组乃至从头合成新的、具有特定功能的人造生命为目标的“合成生物学”。合成生物学的崛起，突破了生物学以发现描述与定性分析为主的所谓“格物致知”的传统研究范式，为生命科学提供了“建物致知”的崭新研究思想，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的“会聚”研究新时代。它不仅将人类对生命的认识和改造能力提升到一个全新的层次，也为解决与人类社会相关的全球性重大问题提供了重要途径。

1 合成生物学的内涵

合成生物学区别于其他传统生命科学的核心，是其“工程学本质”，主要体现在两个方面。①其“自下而上”的正向工程学“策略”。因此，元件标准化→模块构建→底盘适配，包括对生命过程的途径、网络的组成及其调控的认识及“正交化生命”的设计与构建，是其最核心的研究内容；而人工线路（包括新一代的“代谢工程”）的构建，就是其最重要的工程化平台。②目标导向的构（重构）建（建造）“人造生命”。因此，“自上而下”地构建“最小基因组”或“自下而上”地合成“人工基因组”，是合成生物学另一个最核心的研究内容；大片段基因组操作和改造，以及大规模、高精度、低成本DNA合成，是其最重要的两大使能技术；而基因组（包括原型细胞的合成等“细胞工程”）的构建，是其最重要的工程化平台。这两个方向，基本抓住了合成生物学的工程化研究所包含的“定量生物学”“分子生物学”与“系统生物学”等会聚来源的本质，原则上是比较全面和准确的；当然，我们也可以在下述3个方向上更具体地阐述其内涵（）。

合成生物学:开启生命科学“会聚”研究新时代

图 1 合成生物学的内涵

1.1 工程学内涵

合成生物学内涵的核心，是它的“会聚特性”。合成生物学会聚了科学研究带来的“发现能力”，工程学理念带来的“建造能力”以及颠覆性技术带来的“发明能力”，从而全面提升社会的“创新能力”。合成生物学的工程学内涵就是，在人工设计的指导下，采用正向工程学“自下而上”的原理，对生物元件进行标准化的表征，建立通用型的模块，在简约的“细胞”或“系统”底盘上，通过学习、抽象和设计，构建人工生物系统并实现其运行的定量可控。

1.2 生物技术内涵