孙之荣,是清华大学生命科学学院教授、博士生导师,教育部生物信息学重点实验室常务副主任。
　　
　　自然演化的有机体被生物学家形象地称为“生命1.0版本”,在过去几十亿年的地球演化史中,生命的形式都在自然基础上展开,繁衍生息,新陈代谢。
　　而随着生物科学的发展,人类对于生命本质的认识越来越深刻,1953年,科学家发现了DNA双螺旋结构,拉开了现代基因学的序幕,科学界开始研究基因与细胞的关系。1990年人类基因组计划启动,随后模式基因组计划也开始实施,人们获得了大量基因组序列的信息。随着可编程的DNA微芯片等技术的出现,又促进了基因生物学和系统生物学的进展。这些交叉学科的出现,最终催生了一个更前沿的学科——合成生物学(Synthetic Biology)。
　　这个可能是目前最雄心勃勃的学科诞生于2003年,合成生物学家们认为,随着基因图谱以前所未有的速度被绘制完成,其中的遗传密码被逐渐解开,人类可以利用这些已知的信息,设计、打造新生命形式。按照专家们的进一步理解,如果把细胞和基因形容为计算机的硬件和软件,那么合成生物学正在做的就是设计新“软件”,开发新的“硬件”。
　　合成生物学家们认为,合成生物学所带来的生物技术革命的重要性可以与19世纪在欧洲发生的工业革命和20世纪下半叶在美国发生的信息革命相媲美。合成生物学的核心是在分子水平上对生物系统进行操控,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域,通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统,或对天然的生物系统进行重新设计和改造,以满足农业、工业、医学和能源等发展的需求。
　　这种“无中生有、逆自然”的过程听起来多么玄妙和富有幻想,但事实却正在发生,今天,西方的很多工程师、物理学家、化学家、生物学家和计算机学家们合力在向“造物主”发起挑战。
　　在美国,合成生物学已经取得了一些重要的研究成果,并逐步开始进入应用领域。最典型的例子是劳伦斯国家实验室的科学家Keasling通过合成生物学的方法合成抗疟疾药物青蒿素。传统提取青蒿素的过程很复杂,成本高昂,产量还要受控于自然条件。在工作中Keasling意识到如果合理利用合成生物学的工具,将每一个细胞都变成它自己的小工厂,生产出制作药物所需的化学物质,那么就不再需要繁复且成本很高的生产过程了,也可以完全不受自然条件控制,提供一个充足的新的青蒿素来源。通过努力,这些“魔术师”变出了“科学戏法”,使得用大肠杆菌和酵母细胞合成青蒿素前体——青蒿酸的生产能力有几个数量级的提高,大幅度降低了生产青蒿素的成本。
　　可以想象,随着合成生物学的发展,这一学科将彻底改变我们传统的药物开发生产模式。而在能源领域,这一学科更有令人吃惊的“法力”。2008年,我带领清华大学生物系本科生代表队去美国参加了国际基因工程机械设计大赛(International Genetically Engineered Machine Competition,iGEM)。iGEM是由美国麻省理工学院发起的一项国际大学生创新竞赛。比赛要求各队伍在赛前一年内用工程学的理念和基因操作的手段设计和实现某种新的生物机器,并通过网站、演讲、海报等形式予以展示、交流和评比。自2003年举办至今,iGEM已发展成为国际合成生物学领域的重要国际交流赛事。
　　在2008年的竞赛中,给我印象最深的是哈佛大学学生设计的“细胞电池”,这种利用合成生物学解决能源短缺问题的思路使人类看到了一种更光明的未来。目前,能源前沿领域已经越来越关注合成能源的可能性,西方开始深入研究利用生物合成技术高效率低成本地生产氢气,还有诱导微生物生产原油、柴油、汽油或者基于烃的化学品。
　　最近几年,合成生物学的战略意义引起了欧美的极大重视,2004年,美国《技术评论》将合成生物学列为将改变世界的新十大技术,2006年,美国政府出资2000多万元建立“合成生物学工程研究中心”;欧盟在2007年更启动了《合成生物学— —新出现的科学技术》18项引导项目。
　　合成生物学在中国刚刚起步,去年5月,由我和中国科学院微生物所魏江春教授、天津大学张春霆教授等担任执行主席的第322次香山科学会议召开,这是国内第一次举行的“合成生物学”主题会议,专家们重点讨论了合成生物学对我国经济发展的影响,并呼吁要把合成生物学提升到关乎我国国民经济发展的核心技术的战略高度来考虑。在科学界的推动下,2009年2月,中国科学院合成生物学重点实验室成立。11月,中国科学院北京生命科学分院又一次召开合成生物学的研讨会,科学家们研究如何加快中国合成生物学的发展进程。但对于合成生物学的进一步发展,还需要政府有关部门的重视和有效的推动。
　　2007年,《Nature》的一位编辑写到,合成生物学的出现,“开天辟地第一次,上帝也有了竞争者”。确实,合成生物学使得未来的变化充满梦幻,在这场新的科技革命下,一切皆有可能。