帝国理工Tom Ellis教授：合成生物学的未来｜再创×iDEC

10 月 22-23 日，第二届国际定向进化大赛 (iDEC) 评选及颁奖活动 iDEC Festival 在线上举行。在为期两天的活动中，来自全球不同国家的 15 支队伍通过演讲、海报等形式分享了自己的研究成果。 

在开幕典礼上，iDEC 受托人，来自帝国理工大学的知名合成生物学家 Tom Ellis 教授为参赛者带来了主题为 “iDEC 与合成生物学的未来” 的演讲。我们在这里提炼了演讲的主要内容，分享给各位定向进化以及合成生物学爱好者，并祝愿今年 iDEC 的参赛团队取得满意的成绩。

合成生物学已经经历了 20 余年的发展，这个领域最初兴起于 2000 年，如今学习合成生物学的一些学生那时还没有出生。2000 年的两篇代表性文献分别来自当时波士顿大学的 Jim Collins 实验室关于 Toggle 开关和普林斯顿大学的 Michael Elowitz、Stanislas Lelbler 关于压缩振荡子 (Repressilator) 的研究。

于我而言，2005 年合成生物学变得非常有意思了起来，11 月的时候 Nature 杂志刊发了关于合成生物学的特辑。也正是这一年，国际基因工程机器大赛 (iGEM) 变成了一个国际性的大赛。

2000-2010 年是合成生物学的第一个十年，在我看来这十年中最重要的进展有：

1. 分子组装能力的发展。Golden Gate 和 Gibson 两种方法都是在这个时期诞生的；

2. 基因装置的开发。这段时间内，研究者们开发出了许多开关、振荡子等工具。另外，研究者们还开发出许多重组酶，从而允许人们在细胞内搭建逻辑电路；

3. 代谢工程的发展。人们开始利用工程化的细胞生产化学物质，比如 Jay Keasling 组对于生物燃料的研究，以及合成生物学的先驱企业 Amyris 的创立等等。

2010 年，我开始了我的独立研究，这也是所谓的合成生物学第二个十年 (2010-2020) 的开始。我和我的博士生孟凡康曾有幸受到 Nature Communications 杂志的邀请，写了一篇关于这十年的综述。简而言之，我觉得有几个关键点：

1. 合成基因组和染色体。这十年间，合成生物学家开始了更大规模的基因组工程化，比如 SC 2.0 项目等。

2. 自动化设计复杂的基因逻辑系统。比如 Chris Voigt 团队开发了能够自动化设计复杂逻辑系统的方法，这些技术可以在多种生物体中应用。在这个时期，研究人员已经可以通过计算机辅助设计来完成很多任务。

3. 代谢工程的进一步发展。代谢工程在这十年间进一步发展，研究人员现在可以利用工程化的细胞来生产更为复杂的分子，比如稀缺的抗生素或者抗癌药物等。

4. 利用工程化细胞进行诊断和治疗。研究人员开始利用合成生物学来将整个工程化的基因系统导入细胞中，比如 CAR-T；同时，研究人员也开发了更好的传感器，并将其应用到肠道菌群中来进行一些疾病的诊断。

5. 行为的形成和细胞分化。通过细胞编程，研究人员还可以控制细胞的分化，以及让细胞达到特定状态。

合成生物学的第二个十年的发展受到了许多赋能。比如 CRISPR 等基因编辑技术让我们可以在细胞内完成基因的编辑，基因合成和测序技术的发展让研究的成本逐渐降低，iGEM 等竞赛为学生提供了更多合成生物学的教育，Addgene 等组织让人们可以更快得到质粒，bioRxiv 等预印系统则加快了出版材料的分享，这些都加快了整个领域的发展。 

如果把目光放长远一点，到 2040 年，合成生物学又会变成什么样呢？大约一年半之前，德国研究中心向我发出邀请，希望我向现在的学生推荐 10 个在 20 年内具有发展潜力的合成生物学研究领域。我给出的回应是：

1. 工业化与自动化

合成生物学正在变得越来越自动化，比如我们可以通过 Opentrons 和 Labcyte Echo 来完成、优化实验。在未来的 10 到 15 年内，工业化与自动化或许会是领域内关注的焦点。然而，自动化相关研究的流程相对较长，我认为企业在这个过程中会起到更为重要的作用，因为企业能够承担更长的研发周期，而在学术界，博士生或者博士后的时间一般只有 3 到 4 年，可能不足以完成这样的研究。

2. 机器学习在 DNA 设计中的应用

DNA 是自然界的编程语言，基因组是我们的硬盘，存储着我们机体运行所需的信息。如今，我们对 DNA 编码细胞的方式有了更深入的了解，但是我们仍然不知道每个碱基对的精确作用。机器学习作为一种工具，能够很好地理解并自主编写各种语言，其中也包括 DNA。在未来十年内，人工智能或许能够使我们真正对 DNA 进行编写，而不仅仅是对自然界的 DNA 模块进行复制粘贴。

3. 通过生物化学合成细胞模拟物

目前世界各地已经有一些通过生物化学方法来合成细胞或者原始细胞 (Protocell) 的尝试，比如含有纯化后的核糖体的液滴已经能够进行迁移、信号传递和分裂等行为。也许在未来的 2040 年，我们可以从化学中创造生命，比如将一堆生物化学物质放进一个容器里，它们便可以自己进行复制和分裂。

4. 生物传感：随时随地检测任何东西

生物传感是合成生物学的一个重要组成部分，通过工程化可以让细胞检测更多信号并做出响应。生物传感的应用也在不断扩大，想象一下，如果我们能够感应日常生活中的所有生物行为，我们能做什么？通过生物传感，我们将能够从微生物和人体细胞中捕获大量的数据；我们甚至可以将生物信号与电信号甚至 Wi-Fi 信号相结合，远程感应土壤里的生物行为等等。生物传感技术将能为人类解决很多问题。

5. 为可持续发展目标而设计生物体

我们不仅应当考虑人类的利益，还应当考虑人类与地球的互动。可持续性是合成生物学的一项重要目标，通过对微生物等有机体进行基因编辑，我们可以回收材料、制造非石油基的燃料和材料、捕获二氧化碳、维护生态、增加生物多样性。

6. 细胞群落和多细胞系统

以往的合成生物学多聚焦于单个细胞，然而多细胞生命体中有很多高度分化的细胞，去执行不同的功能。合成生物学的一个重大挑战是设计细胞的分化和特化，如果想要在生物工程中做得更好，我们需要实现在合成多细胞系统中实现有效“分工”。

7. 自定义和动态合成基因组

从 10 多年前，Venter 研究所实现了第一个具有合成基因组的细胞，到现在 Jason Chin 团队为大肠杆菌的完整基因组重编写了遗传密码子，同时很多团队都开始着手研究细菌和酵母染色体合成，我们已经取得了很多进展。在未来十年内，合成生物学家将面向更庞大的基因组，如哺乳动物细胞和植物细胞。同时，未来我们也可以开发自定义的基因组，通过删除或添加特定的基因片段让细胞具有特定的功能。

8. 人造细胞

如在第三条中所述，我们或将能从化学物质当中制造细胞。如此我们将能够从头设计细胞，这将帮助研究者们更好地理解生命，同时消除社会对于转基因微生物的担忧。

  图源：Jurik Peter/Shutterstock.com

9. 具有 DNA 编码特性的材料

在材料领域，合成生物学可以培植材料，而非仅从生物当中提取材料。通过对于细菌和植物 DNA 的编程，我们能够培植大量、多元的材料，甚至是可以对环境做出反应的有“生命”的材料。也许在未来，我们 iDEC 的 T 恤将能够根据我们的心情、天气或者团队获得的奖项而改变颜色。

10. 可实时精确控制的进化

这一项与 iDEC 这个比赛最直接相关。自我 2010 年成立课题组以来，基因合成成本逐渐变低，Golden Gate Assembly 和 Gibson Assembly 也使 DNA 组装变得更高效，但是我们依然无法在细胞内进行编辑，直到 CRISPR 出现。基于 CRISPR 的系统使我们能够设计、指导和控制生命系统中某些位点的编辑，这大大改变了许多合成生物学以及生物科技的研究。那么接下来我们需要什么样的工具呢？也许，将进化的力量引入工程学会是一个好的答案。

定向进化的逻辑与其他的生物工程都有所不同，后者侧重于模块化部件、计算机辅助设计，将现有的生物元件组合在一起，以类似制造汽车或飞机的思路改造生物，但生命系统的不同之处在于进化。特别是对于微生物，定向进化技术使我们可以在同一时间尝试成千上万的设计，因为一管细胞里有数以百万计的个体，我们可以选择那些最合适的设计。其他的生物工程研究并不如此，他们不会制造一百万架不同的飞机并试图让它们同时飞行，从而选出飞行时间最长的那架飞机并应用。进化给了我们一切，而定向进化使突变从传统生物工程当中的不利因素变为真正特别之处。玩过神奇宝贝的人都知道进化，随着时间的推移，进化的好处显而易见。现在我们正处在一个非常激动人心的时刻，我们想尝试把定向进化作为合成生物学的主要工具，这或许比计算机辅助设计和自动化设计更有意义。在未来 10 到 20 年内，我们真的可以利用定向进化在合成生物学领域中做一些令人兴奋的事情。

我认为通过定向突变 (Targeting mutation) 和控制筛选 (Control selection) 是对于定向进化非常重要的两个方面。在定向突变方面，我们有诸如 MAGE (Multiplex Automated Genome Engineering) 等技术，可以针对某些区域来获得定向突变。我们也有 OrthoRep 这样的技术，这是一套应用于酵母中的系统，通过将基因置于一部分特殊的 DNA 片段上，使其以更高的频率突变。还有其他的一些突变器，其靶向的基因可以与 T7 RNA 聚合酶等聚合酶融合，从而实现在基因组里的特定区域中进行 DNA 突变。John Dueber 实验室开发的 EvolvR 系统也是类似的尝试，其中 Cas-9 会瞄准特定的位置，使这些区域成为细胞内的高频突变区域。

针对突变后的筛选，我们有 eVOLVER、Berkeley lights、RADARs 等系统。将定向突变、控制筛选与自动化结合在一起，也许会是下一代的定向进化，比如 PRANCE 系统和 A.C.E. 系统。其中 A.C.E. 系统包含了刚才提到的 OrthoRep，这套系统可用于对细胞基因的某些区域进行连续的定向突变，以及自动化筛选和微流控系统。这是我认为合成生物学下一步需要做的事情——更多地在体内定向进化。

如今定向进化已经拥有了 30 余年的历史，接下来，让我们想一想自定向进化首次发明以来，人类所取得的一切成就；想一想它在改变生物学、帮助拯救人类、改善我们与地球的关系等方面的能力；想一想在本世纪余下的时间里，定向进化会引领我们走向何方。希望大家享受 iDEC，并在这个过程中有所收获。