计算机出问题不能工作了，通常我们会选择重装操作系统，而类似的想法在活的细胞中也能够实现。这是怎么回事呢？2007年10月6日，基因组研究先锋美国克雷格·文特尔研究所（J.CraigVenterInstitute）已成功地合成了生殖支原体（Mycoplasmagenitalium）的基因组。2008年1月24日出版的美国《科学》（Science）周刊网络版对此进行了报道。此前研究所的科学家曾将蕈状支原体（Mycoplasmamycoides）的基因组移植到与之关系密切的山羊支原体（Mycoplasmacapricolum）内，而且新植入的基因组开始取代原基因组运作。《科学》周刊评论说，虽然现在还不能证实合成的基因组是否可以是真正代替自然状态下的基因组，但是这项工作已经为定制细菌使其更有效地生成药物、生物油料和其他对人类有用的分子铺平了道路，并认为这是"生物工程领域的里程碑"。这些研究成果是新兴的合成生物学领域所取得的杰出成就。
合成生物学的基本理念
合成生物学是以工程学理论为指导，设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体，并应用于特定化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门综合学科。它涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传学、材料科学以及计算机科学等多个学科。合成生物学代表了生物系统设计的新趋势，其诞生可以追溯到20世纪六七十年代出现的多种技术和认识，包括基因电路（geneticcircuit）的研究、基因转录的蛋白调控以及DNA重组技术等。合成生物学的最终形成主要依赖于四个方面的突破：一是低成本、高通量的DNA合成技术，二是快速、廉价的DNA测序技术，三是多年研究积累所获得的特性较好的生物模块，四是工程化设计。
传统生物学研究的目的就是了解各种有机生物体。为了减少复杂性，人们往往把它们分解成各个部分，比如生物分子、信号通路、细胞等，然后在特定的条件下进行研究。通过这种思路，生物学家们发现了基因组、蛋白质、生物体的种种性质以及相互之间的作用机制。在大规模基因组测序和各种组学研究的推动下，系统生物学试图将过去孤立的成分综合起来，进而去理解细胞的整体行为。
人们研究生物体的各种天然性质，不少发现已得以应用。在这方面生物学一直遵循应用、修改、提高天然系统的规则来产生新的应用知识。所有这些成功都依赖于生物世界巨大的多样性。但是这个多样性亦限制了人们理性设计和预测生物系统的能力。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同的是，合成生物学的研究方向完全相反，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件，以一些特性良好的通用部件为起点，这些通用部件简单、稳定，要么由天然成分衍变过来，要么就是完全人工设计。
与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作法不同，合成生物学的最终目标是组装基本生物部件，设计性质可预测的有用生物系统，并不断提高其复杂性，让它们像电路一样运行。设计复杂生物系统是合成生物学的中心法则，这需要完全理解各个部件以及它们之间的相互作用，这也提供了修改部件和可靠预测系统行为的机会。合成生物学亦与机械工程有相似性，标准化的机械零部件，经过大小、形状、材料的改进，进行组装后就可以执行预定功能。机械系统的特性由基本原理衍生出来，行为也能够进行模拟。现在人们可以突破生物界无限制地设计生物部件，所以有理由相信这种模式在合成生物学上也是可行的。
合成生物学研究进展
当前合成生物学的研究主要是设计具有一定功能的基因模块，这些模块没有独立完成其功能的能力，必须借助于宿主细胞来实现。目前已经在功能回路设计、细菌胶卷、药物合成、环境保护及临床治疗等方面有一些研究进展。科学家的这些研究，旨在通过操控微生物，从而找出制造药物、塑料甚至能源替代品的更经济有效的新方法。
功能回路的设计
合成生物学早期的设计策略是借鉴天然生物系统和人造的非生物系统，这些研究显示了数学模型在基因电路设计上扮演的重要角色。生物学家力图用生物系统中的基本组件（基因、蛋白质等）合成出具有某些特定生物学功能的回路，并在细菌中成功设计了第一个基因电路——周期振荡器，最近又在酵母和哺乳动物中获得成功。
蛋白水平的振荡器模块对细胞活动（细胞周期、生理节奏循环等）非常重要。2000年，当时就职于普林斯顿大学的埃洛维茨（M.Elowitz）及其同事设计的环形振荡器能够模仿这些振荡系统的行为，它包括三个转录抑制蛋白，每个抑制蛋白都抑制下一个基因的转录，从而形成一个环状回路。设计过程的重点在于建立系统的基础定量模型，这样就可以确定系统的主要参数和振荡周期。
同一年波士顿大学的柯林斯（J.Collins）研究组设计了触发器开关功能的基因电路，该回路运用网络拓扑结构使得系统具有双稳态和记忆功能。在网络中一般有两种方法可以实现双稳态：正反馈回路或者互相抑制。柯林斯小组的基因触发器开关采用的是两个相互抑制的基因，它们分别编码另外一个基因的转录抑制蛋白。多种转录抑制蛋白进行各种组合，就可以形成不同开关。如果外界刺激对抑制作用的强度不同，那么系统就会趋向一种稳定状态，即一个基因被抑制，另一个完全转录。该系统也可表示滞后现象，一旦开关指向一个稳定状态，它就会保持不变，即使最初的刺激物不存在了，除非特别的扰动改变了系统状态。
细菌胶片
大肠杆菌是与人类共生的最常见细菌，会引起食物中毒和腹泻。光敏色素是结合在植物和一些细菌的细胞膜上的光受体，是一种蛋白质，大肠杆菌中没有这种色素。2005年，美国加州大学的沃伊特（C.Voigt）研究组及其合作者别出心裁地设计了一个能感光的细菌基因回路，利用遗传工程方法将其引入大肠杆菌，"改装"后的大肠杆菌能够感光，并且在感光后分泌化学物质，这样的大肠杆菌菌苔暴露在光照下具有胶片的功能，能产生高清晰度的化学图像。光敏色素由结合在细胞膜上的胞外光传感器和细胞内的应答调节器两部分构成，大多数光敏色素的应答调节器没有DNA结合域，不能直接调控基因的表达。因此，研究者利用蓝藻的植物色素胞外感光模块与大肠杆菌EnvZ–OmpR双成分系统的胞内组氨酸激酶信号区构造了一个蛋白嵌合体作为光受体，在黑暗中时磷酸化的OmpR转录因子对目标启动子进行调控，诱导基因LacZ表达，最终生成黑色产物，即输出黑色信号；而暴露在光照下时，则输出白色信号。每一个具有感光及色素合成基因回路的大肠杆菌都可成为照片上的像素点。
药物合成
在简单生物比如大肠杆菌和酿酒酵母中，可以设计代谢途径和模块组成的生物级联来改变正常的细胞代谢，从而产生一些非天然的代谢物或使合成转向人们感兴趣的代谢物。这些代谢物可能是目标物质，也可能是中间体。加州大学伯克利分校的凯阿斯林（J.Keasling）实验室是这个领域的杰出代表，他们一直致力于抗疟药青蒿素前体——青蒿酸的廉价合成。
疟疾是人类的宿敌。西方最早发现的抗疟药是奎宁，但因长期使用而使其疗效一降再降。1972年，中国在中药材黄花蒿中提取出了抗疟有效物质青蒿素，但植物提取成本高，无法大规模普及。据世界卫生组织统计，一个以青蒿素为基础的治疗疗程花费是2.4美元，而一个标准的氯奎治疗疗程仅需0.2美元。如此大的价格差主要是由青蒿素的生产周期长（至少8个月）和市场的供不应求造成的。为了降低青蒿素的费用，2005年，凯阿斯林实验室把一种特殊的酶植入酵母，酵母会把代谢中产生的中间化合物改造成青蒿酸。他们利用酵母天然的甲羟戊酸途径，正常情况下该途径通过糖类代谢产生的乙酰辅酶A来合成甾醇。而在他们所合成的代谢途径中，甲羟戊酸途径被用来大量产生中间体法尼焦磷酸盐（FPP），而法尼焦磷酸盐接下来可被青蒿基因在酵母中表达的甜苦艾酶催化产生青蒿酸。至此，可以说通过微生物工业生产青蒿素的技术链条已基本成形，剩下的只是如何进行工业化生产了。如果这一目标实现的话，青蒿素的成本将下降90%。
肿瘤化疗
利用合成生物学构建基因功能模块在肿瘤细胞中将药物前体转变为杀死肿瘤细胞的药物是一种有前途的肿瘤化疗方法。5-氟尿嘧啶是临床上最常用的肿瘤化疗药物，有较强的细胞毒性，严重影响机体正常细胞功能，引起较强毒副反应。而5-氟胞嘧啶对细胞的毒性很低，但对肿瘤细胞效果又不明显。2007年11月《自然·方法》杂志报道，科学家构建了一种乙酰水杨酸控制胞嘧啶脱氨酶合成的功能模块，植入非致病性的肠道沙门氏菌。乙酰水杨酸是最广泛使用的抗炎药物之一。口服乙酰水杨酸和5-氟胞嘧啶药物后，由于人体正常细胞没有胞嘧啶脱氨酶，5-氟胞嘧啶对正常细胞没有毒性作用，但在富集带有功能模块的5-氟胞嘧啶肠道沙门氏菌的肿瘤组织中，乙酰水杨酸诱导肠道沙门氏菌中功能模块的胞嘧啶脱氨酶生成，把5-氟胞嘧啶转化为5-氟尿嘧啶药物，杀灭肿瘤细胞。
人工合成基因组
人工合成基因组一个特别的应用是创造能够表达非天然氨基酸（20种天然氨基酸之外）的细胞。非天然氨基酸掺入蛋白序列是合成生物学设计新蛋白的一个策略。这种策略对天然蛋白质的折叠和功能研究有重要作用。现在已有大约超过30种非天然氨基酸被人工插入到生物体合成的天然蛋白质中。但是现在活体内插入非天然氨基酸的策略受到限制，一种蛋白质中只能插入很少的非天然氨基酸。随着特别基因组序列合成的实现，将会去除20个天然氨基酸的同义密码子现象，只有20个密码子特异性编码20种天然氨基酸，其余的密码子将用来编码非天然氨基酸。如果成功的话，那么多种非天然氨基酸的成功插入将会实现，并且对细胞功能没有特别的影响。
人工生命体
合成生物学的最终目标是完成独立、可自我繁殖、可表现稳定功能的人工生命体。解决这一难题的关键策略是界定生命体维持生命所需基因组的最小量。现在研究最简化生命有两种互补的方法。一种是自上而下，通过剔除非必要基因组分来简化，另一种则是自下而上，人工组装各种元件来合成生命体。对于后一种，已有科学家研究了一个功能性类脂生物反应器，在反应器里可以借助无细胞翻译系统（大肠杆菌及麦芽的细胞提取物）来表达绿色荧光蛋白，并且该系统依靠吸收外部营养，蛋白合成维持了4天。除了寻找最小基因组数量外，也有人发现，分离T7噬菌体相互重叠的天然基因（从而增加了总基因组DNA的大小），结果形成的新基因组亦能够编码原有特性的噬菌体。
尽管基因组的从头合成在技术上还存在挑战，但是已经取得一些关键进展。2002年纽约州立大学石溪分校的魏玛（E.Wimmer）研究组合成脊髓灰质炎病毒，2003年文特尔研究组合成φX174噬菌体，2005年美国疾病控制中心的塔姆佩（T.Tumpey）等又成功合成引发1918年流感大流行的病毒。2007年10月6日，文特尔研究组用化学物质在实验室中合成了由381个基因、58万个碱基对组成的人工染色体，这也就是本文篇首提到的一幕。研究者根据生殖支原体的DNA序列，去除了不含遗传信息的1/5序列，重建出了新的DNA序列和染色体，并将其植入已去除染色体的生殖支原体外壳中，得到表达人工染色体的新支原体，他们将其命名为实验室支原体（Mycoplasmalaboratorium）。在这些基因的控制下，新细菌能摄食、代谢和繁殖，已经具备了生命的三个基本特征，堪称人类历史上第一个"人工生命体"。
多年来，有"科学怪人"之称的文特尔一直从事人造生命的研究，其研究小组将人造生命的研究分为三个步骤。第一步，首先制造了4个DNA碱基，并合成数百万DNA片段；第二步，将这些片断组装成DNA链，并形成完整的基因组；第三步，将合成的基因组注入剔除了遗传物质的细胞中，如果能激活细胞，就可以宣告人造生命的诞生。
文特尔认为，"这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人类正在从阅读基因密码走向有能力重新编写密码，这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的研究。"他希望这项突破有助于发展新能源，创造出具有特殊功能的新微生物吸收过多二氧化碳并生产氢气或乙醇，可被用作替代石油和煤炭的绿色燃料，为解决气候变暖贡献力量。这种研究赋予了科学家无与伦比的能力，包括医药和生物产品、绿色燃料，可以为人类带来福利。
对人工生命的争议
然而制造"人工生命体"的前景极具争议性，有可能激起道德、伦理、生物恐怖等方面的激烈辩论。加拿大生物伦理学组织ETC团体主任穆尼（P.Mooney）说，文特尔制造出了"一个基本架构，在此架构上人们几乎可以制造出任何东西"，"它可以用于研究新型药物，解决能源危机和环境问题，也可以用于对人类产生巨大威胁的生物武器。"
近年来合成生物学及"人工生命体"的进展比10年前克隆羊"多莉"的问世意义更加重大，是人类自然科学史上的里程碑，但它对人类观念上的冲击更为巨大，尤其是对宗教造成了严峻挑战。哥白尼的"日心说"首先对宗教中人类在宇宙中的地位问题做出了颠覆性打击；虽然达尔文的进化论已经对宗教有关生命起源问题产生了严重影响，但达尔文的进化论尚没有得到严格的科学实证；而合成生物学及"人工生命体"的研究将是对所有宗教的最后一击，人类自己可以完全扮演上帝的角色，神已经失去了存在的意义，而道德也将失去存在的基础。
重新编写基因密码使我们能合成更加高等的基因染色体实现人种的优化。人类社会五千年以来，不管社会地位的高低，财富的多少，其每个人的遗传物质及基因组都没有优劣之分，每个人都有机会"出人头地"，即所谓"帝王将相，宁有种乎？"。但是随着合成生物技术的发展，人类有能力重新编码基因组，并赋予一部分人从遗传上有更高的智商、更健壮的体能。从此人类将历史性的分化为两种人种，帝王将相，将有种亦，这将是人类历史上最大的悲剧。
人类可以制造"超级有益细菌"，同时也可以制造"超级魔鬼细菌"，针对特定人种的生物武器，1918流感病毒的人工合成更加深了世人的忧虑。地球的整个生态环境是几十亿年进化的稳定生态系统，虽然经过人类的过度开发和破坏，地球生态系统的自我修复能力大为降低，生态环境岌岌可危，如果大量的"人工生命体"进入已经脆弱的地球生态系统，其后果是不可预测的，其将可能导致地球生态环境最后崩溃。
合成生物学展望
现在的基因回路及功能模块的构建就如同20世纪初的电路设计一样，效率低，相似但不相同的基因电路设计出来的结果不一致，缺乏标准化的基因元件、功能模块以及装配方法，是合成生物学迅速发展的一个瓶颈。为了解决这个问题，2005年美国麻省理工学院的恩迪（D.Endy）提出了合成生物学的思想体系：包括标准化元件的使用，组装方法的标准化以及系统的抽象化。
目前麻省理工学院研究已经成立了标准生物部件登记处（https://parts.mit.edu），该登记处的任务就是为那些应用在基因电路设计中的基因部件或者功能模块创建一个数据库，并编制相应的目录。这样如果有人在设计生物系统时需要一个特定功能的部件，就可在这里查询目录，寻找部件来满足设计要求了。这个详实的数据库还可帮助设计者节约由于未知参数、未知问题而导致的重反演和优化时间。此外，在这里还可知道部件、标准化、抽象化在实际研究中是怎样进行的。
合成生物学研究还处在它的幼年期，一些有前途的研究结果已经显示了它的可行性和应用性。合成生物学的光明前景将激发研究者设计更多的人工生物系统。笔者认为今后DNA的合成成本将会继续下降，计算机的功能也将会更加强大。但是与1970年代相比，现在DNA成本和生物实验室的计算机功能已经好很多。因此，合成生物学发展最终的限制因素可能将会是人类的创造力了。事实上，未来的技术发展取决于人们思考生命的新方式，它将允许我们创建全新的事物。合成生物学站在一个新的高度向我们提出了这些问题，如何知道我们对一个生物系统完全了解了？如何确定我们没有落下什么呢？传统上研究者可以对生物系统进行诱变和扰动，从而得到一些期望的结果，但这并不能回答上述问题。合成生物学认为，利用具有同样性质的各种成分重建生物系统是必要的。从这个意义上讲，合成生物学家们相信费恩曼（R.Feynman）的话：如果我不能够创造，我就不会理解。
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