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DNA打印机:合成生物学焕发新生

CRISPR仅仅是个开端。基因合成,其实就是制造遗传序列、打印DNA链的过程。如果说测序是解读生命密码,那么合成就是创造新的生命篇章。这个过程不仅限于复制已知的DNA链,还能让科学家编写出全新的DNA链,从而实现对生命的改造。这种技术虽然多年前就已存在,但一直进展缓慢、成本高昂,操作起来也相当困难。10年前,科学家或许只能同时生产不到100个DNA片段,而现在,他们可以一次打印出数百万个片段,而且价格还是原来的1/10。 15 伦敦帝国理工学院合成生物学实验平台甚至声称,设计和测试15 000种不同的基因只需一个上午。 16 现在,像DNA Script这样的公司正在把DNA打印机推向商业化,这些打印机能够通过训练和改造酶构建出全新的分子。 17 这种技术的出现催生了合成生物学这个新领域,让我们能够读取、编辑,甚至编写生命的代码。而且,像酶合成这样的新技术,不仅速度更快、效率更高,还不容易出错,不会产生有害的废物,成本也在逐渐降低。 18 与过去那些复杂且需要专业知识和技能的方法相比,这种方法更容易上手。

DNA创造的世界充满无限可能,已经向我们敞开大门,在这个世界中,设计、构建、测试和迭代的循环将以极快的速度进行。家用版本的DNA合成器目前虽有一些技术上的限制,但其功能已经足够强大。相信在不久的将来,这些限制也将被一一克服。

自然界常常需要经历漫长的曲折过程,才能达到令人惊叹的效果。然而,这场生物革命将集中设计的力量注入自我复制、自我修复以及不断进化的过程中,使其成为核心。

这就是人类引导设计进化的魅力所在,人类通过有针对性的干预,将数千万年的进化历程压缩并简化。这种“引导设计”凭借计算设计工具的强大力量,将生物技术、分子生物学、遗传学等多元领域融为一体,共同构建一个具有深刻改造力量的平台。 19 斯坦福大学生物工程师德鲁·恩迪曾形象地比喻说:“生物学是终极的分布式制造平台。” 20 而合成生物学真正带来的是“让我们能够更直接、更自由地制造在任何情景下所需的一切”。

想想看,20世纪60年代的计算机芯片还是手工制造的,就像直到不久前,生物技术研究也大多停留在手工操作的阶段,速度慢、结果难以预测,整个过程也相当烦琐。但现在,半导体制造已经发展成了原子级别的超高效制造过程,能生产出世界上最复杂的产品。生物技术也正在沿着相似的轨迹发展,尽管现在还处于较早期的阶段,但未来生物体的设计和生产,一定会像今天的计算机芯片和软件一样,既精确又高效。

2010年,克雷格·文特尔领导的团队成功复制了支原体细菌的基因组,并将其移植到一个新细胞中,使其开始复制。 21 他们称这一成果为全新的生命形式,命名为“辛西娅”。到了2016年,他们更是突破性地创造了一个仅含473个基因的有机体,这虽比自然界中发现的任何生物都要精简,却代表了前所未有的进步。仅仅3年后,苏黎世联邦理工学院的一个团队就实现了首个完全由电脑生成的细菌基因组——Caulobacter ethensis-2.0。 22 文特尔的实验曾在庞大的团队和数百万美元的资金支持下开展,而苏黎世联邦理工学院的这一开创性的工作主要由两兄弟以仅仅不到10万美元的预算完成。 23 如今,全球基因组编写计划联盟正致力于在未来10年内将合成基因组的制造和测试成本降低为现在的千分之一。 24

生物学,正迎来指数级飞跃。 9Rse4usi00bjAyE7Aj6ykGVXJ8WhUxxIhFdbjkCdgs7l/dR7xy8IwMb5jiHmSSgM

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