合成生物學(xué)（Synthetic Biology），簡(jiǎn)單而言就是以人工手段制造生物系統(tǒng)，與傳統(tǒng)生物學(xué)通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造的辦法不同，合成生物學(xué)的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。與基因工程把一個(gè)物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一物種的作法不同，合成生物學(xué)的目的在于建立人工生物系統(tǒng)（artificial biosystem），讓它們像電路一樣運(yùn)行。

這一學(xué)科之所以被譽(yù)為第四次科技浪潮中的弄潮兒，在于它可將impossible變成every thing is possible，合成生物學(xué)的最高境界是靈活設(shè)計(jì)和改造生命，重塑生命體。這門學(xué)科真正進(jìn)入大眾視野，是緣自2010年首個(gè)人造單細(xì)胞生物“辛西婭”（Synthia）的誕生，這一發(fā)現(xiàn)也入選了2010年Science十大科學(xué)突破。

9月2日最新一期的Science雜志就以Synthetic Biology為核心展開了專題介紹，其中包括1篇前言介紹，4篇新聞，2篇評(píng)論,1篇展望和1篇政策論壇文章。

首先Valda Vinson和Elizabeth Pennisi就以“合成生物學(xué)的誘惑”（The Allure of Synthetic Biology）為題進(jìn)行了介紹，自從1972年美國Paul Berg第一次成功地進(jìn)行了DNA重組后，生物學(xué)家們便開始廣泛致力于各種合成、重構(gòu)和改造生物基因組的研究工作。近年來隨著大規(guī)?；蚪M測(cè)序技術(shù)和分析方法的成熟，生命科學(xué)研究進(jìn)入了基因組時(shí)代。而合成生物學(xué)正是在以基因組為核心的現(xiàn)代生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)工程生物學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

合成生物學(xué)的研究目前主要朝著兩個(gè)方向發(fā)展。一是設(shè)計(jì)、建造具有生物功能的元件如生物分子或反應(yīng)系統(tǒng)、生物裝置和基因網(wǎng)絡(luò)、多元件組成的功能單位及其更高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)的組裝等。二是開發(fā)建立生物制造所需要的技術(shù)，包括如大分子基因組合成技術(shù)，生物功能元件的分析與測(cè)試技術(shù)，生物體信息的捕獲與處理技術(shù)，系統(tǒng)模擬與控制技術(shù)等。實(shí)現(xiàn)手段涉及生物、化學(xué)、物理、材料、制造、信息等學(xué)科領(lǐng)域的方法和技術(shù)。

由于合成生物學(xué)囊括了與人類自身和社會(huì)發(fā)展相關(guān)的各個(gè)研究方向和內(nèi)容，以解決人類可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)性問題，如生物醫(yī)學(xué)、藥物合成、可循環(huán)化工、環(huán)境與能源、生物材料以及生物反恐等問題，因而被預(yù)言為未來生物技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要推動(dòng)力。

近年來合成生物學(xué)研究進(jìn)展迅速，其中我們也可以看到中國及華人學(xué)者在其中做出的重要貢獻(xiàn)。近期來自奧地利國際對(duì)話與沖突研究所(IDC)生物安全組裴雷博士與中國科學(xué)院植物研究所的研究人員聯(lián)合發(fā)表了題為“Synthetic biology: An emerging research field in China”的綜述性文章，介紹了目前中國合成生物學(xué)研究的現(xiàn)狀和一些不同的研究亞方向，以及對(duì)于國內(nèi)合成生物學(xué)發(fā)展的展望，這篇綜述發(fā)表在Biotechnology Advances雜志上。

加州理工學(xué)院的華裔博士錢璐璐與Erik Winfree教授課題組研究人員今年6月在《Science》雜志上發(fā)表研究論文稱他們利用一種新型的DNA分子元件在試管中構(gòu)造出迄今最大最復(fù)雜的人工生化電路。這種生化電路可以使研究人員探索生物系統(tǒng)處理信息的原理，以及設(shè)計(jì)具有決策能力的生化通路。這種電路將會(huì)賦予生化學(xué)家對(duì)應(yīng)用于生物工程、化學(xué)工程以及生化工業(yè)中的分子反應(yīng)前所未有的掌控能力。比如說在未來，一個(gè)設(shè)計(jì)合成的生化電路可以被放入臨床血液樣本中，檢測(cè)各種分子的在樣本中的水平，然后根據(jù)這些信息作出病理學(xué)的診斷。

緊接著在7月，這一課題組再次在試管中用DNA構(gòu)造出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這一人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以像大腦一樣根據(jù)不完整的信息回想起相關(guān)的記憶。這標(biāo)志科研人員在通往人工智能的道路上邁出了重要的一步。這一研究成果公布在Nature雜志上。研究人員表示這種具有人工智能的生化系統(tǒng)，或者至少是具有某些基本的決策能力的生化系統(tǒng)，可以在醫(yī)藥，化學(xué)以及生物領(lǐng)域帶來不可估量的應(yīng)用。在將來，這樣的系統(tǒng)也許可以在細(xì)胞內(nèi)工作，幫助回答根本的生物問題或者診斷疾病。如果一個(gè)生化過程能夠?qū)ζ渌肿拥拇嬖谧龀鲋悄茼憫?yīng)，它將會(huì)允許工程師們一步一個(gè)分子的制造出日益復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，或者搭建出新的分子結(jié)構(gòu)。并且在科技應(yīng)用之外，對(duì)這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以帶給思維的進(jìn)化過程以間接的認(rèn)識(shí)。

另外，近日耶魯大學(xué)的研究人員成功對(duì)細(xì)菌中的蛋白質(zhì)合成機(jī)制進(jìn)行了遺傳學(xué)改造。這一研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science)雜志上。

該論文的作者，細(xì)胞及分子生理學(xué)系的杰斯•萊因哈特（Jesse Rinehart）介紹說：“從本質(zhì)上來說，我們已經(jīng)擴(kuò)展了大腸桿菌的遺傳密碼，這讓我們能夠合成以特殊形式，例如模擬天然狀態(tài)或者疾病狀態(tài)的蛋白質(zhì)。”

耶魯研究小組的理念是, 通過修改遺傳密碼，用新的方式影響蛋白質(zhì)的行為，使之能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的生命功能。他們并沒有創(chuàng)造自然界不存在的東西，而是誘發(fā)了磷酸化作用（phosphorylation）。磷酸化作用是生命體中最常見的基本生理過程，它能顯著改變蛋白的功能。通常，蛋白的磷酸化作用并不直接由DNA編碼指導(dǎo)合成，而是在蛋白質(zhì)合成之后才開始，而這正是耶魯?shù)难芯咳藛T們想要改寫的：他們希望把磷酸化過程添加到大腸桿菌的遺傳密碼中，通過DNA第一時(shí)間就能指導(dǎo)蛋白磷酸化。

過去，科學(xué)家們?nèi)狈ρ芯苛姿峄癄顟B(tài)蛋白的能力，致使對(duì)某些疾病的研究停滯不前，例如蛋白活性極高的癌癥。而這項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人類蛋白質(zhì)的天然磷酸化體系，這對(duì)于理解疾病的發(fā)展至關(guān)重要。萊因哈特解釋說：“我們現(xiàn)在做的就是運(yùn)用蛋白開關(guān)——把蛋白機(jī)制打開或關(guān)閉，這讓我們能以全新的方式研究疾病狀態(tài)，并有望引導(dǎo)新藥的研發(fā)。”

萊因哈特他們現(xiàn)在打算創(chuàng)建與癌癥、糖尿病以及高血壓相關(guān)的磷酸化蛋白質(zhì)，不過他們強(qiáng)調(diào)說，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)處理任何種類的蛋白質(zhì)。