微小的細胞可以聽從人類“指揮”行使各種功能，合成生物學賦予了它這樣的“魔力”。

顧名思義，合成生物學即從頭到尾去人工合成一個生物，這些被“組裝”而成的生物具備各種功能，人類即是他們的“造物主“。需求決定功能，功能包羅萬象。

相比于傳統(tǒng)學科，合成生物學更加“機動”的設(shè)定讓它可以在各個領(lǐng)域施展拳腳，括再生能源、環(huán)境保護甚至是治病救人等領(lǐng)域，合成生物學的相關(guān)研究和企業(yè)已經(jīng)展開了布局。廣闊的市場前景也得到數(shù)據(jù)佐證，根據(jù) BBC Research 發(fā)表的《合成生物學全球市場報告》顯示，2019 年全球合成生物學市場價值達 53 億美元。預計到 2024 年，與2019 年相比，合成生物學市場規(guī)模的年復合增長率（CAGR）將增長 28.8%，達到 1265 億人民幣。

圖丨利用合成生物學完成規(guī)模化生產(chǎn)各大產(chǎn)業(yè)圖譜（來源：CB Insights合成生物學報告）

不難看出，合成生物學的產(chǎn)業(yè)應用熱潮正當時。越來越多的公司會思考如何用生物合成的方式重塑傳統(tǒng)生產(chǎn)，或開啟一個生物合成新紀元。當然，資本市場更不會錯過這塊 “大蛋糕”。根據(jù) CB Insights 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從 2015 年 – 2020 年 8 月，全球合成生物公司融資交易規(guī)模逐年遞增，值得注意的是，2020 年交易規(guī)模遞增速度已達到 5 年內(nèi)最高紀錄。由邁克爾·崔（Michael Chui）在麥肯錫（McKinsey）領(lǐng)導的一項針對當今正在開發(fā)的約 400 種生物創(chuàng)新應用的影響的研究顯示，在未來 10 到 20 年內(nèi)，僅這 400 項生物學應用就可能對全球產(chǎn)生每年高達 4 萬億美元的直接影響。資本流向哪里，前景即在此處。

基礎(chǔ)科研作為技術(shù)開發(fā)的發(fā)源地之一，給合成生物學的應用帶來了巨大的變革，變革成就了資本熱情的不斷攀升。此次新冠疫情迅猛來襲，合成生物學科學家以及他們創(chuàng)辦的公司已經(jīng)開始用手中的技術(shù)為新冠肺炎的診斷、治療和疫苗研發(fā)貢獻力量。

2020 年 8 月 3 日，來自 4 大洲 6 個國家的 11 位著名合成生物學科學家齊聚一堂，以論壇的形式抒發(fā)見解。他們以現(xiàn)在為起點，圍繞合成生物學的發(fā)展展開對話，共同討論合成生物學的發(fā)展趨勢、當前挑戰(zhàn)，以及相關(guān)的生物安全等問題。

他們認為，合成生物學正在底層技術(shù)興起和人工智能、大數(shù)據(jù)的應用中煥發(fā)新的生命力，而造物、格物的目標同樣需要安全規(guī)定輔助完成，爆發(fā)式發(fā)展的過程中，需要從不同角度觀察合成生物學的每一個技術(shù)突破，審視并積極應對暗涌于水下的安全、倫理問題。

這場由眾多科學家們的參與論壇，正在用思想碰撞的形式為外界打開正式認識合成生物學的大門?！?1 世紀是系統(tǒng)生物科學與工程 —— 也就是生物系統(tǒng)分析學與人工生物系統(tǒng)的時代，將帶來未來的科技與產(chǎn)業(yè)革命。” 誠如業(yè)內(nèi)對合成生物學高度的認可和評價，科學家們高屋建瓴的觀點也讓本次論壇擁有了歷史性意義。他們分別是：

喬治·丘奇（George Church）

職位：美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授，哈佛大學和麻省理工學院健康科學與技術(shù)教授

吉姆·柯林斯（Jim J. Collins）

職位：美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授

保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）

職位：英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授、Tierra Biosciences 公司科學委員會成員

杰伊·凱斯林（Jay Keasling）

職位：美國加州大學伯克利分?；瘜W工程和生物工程教授

近藤昭彥（Akihiko Kondo）

職位：日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授

李相燁（Sang Yup Lee）

職位：韓國高等科學技術(shù)研究院化學與生物分子工程系院長、教授

克里斯蒂娜·斯莫爾克（Christina Smolke）

職位：美國斯坦福大學生物工程和化學工程教授、美國安西婭（Antheia）公司首席執(zhí)行官

克勞迪婭·維克斯(Claudia Vickers)

職位：澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任

張先恩

職位：中國科學院生物物理研究所研究員

趙國屏

職位：中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員

劉陳立

職位：中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所（以下簡稱“深圳先進院合成所”）所長、教授劉陳立擔任本次對話的主持人。劉陳立在美國哈佛大學細胞與分子生物學系完成博士后研究，學成歸國，正式加入深圳先進院從事定量合成生物學的相關(guān)研究，并在 2017 年組建深圳先進院合成所，經(jīng)過了不到 3 年的發(fā)展，深圳先進院合成所已經(jīng)成為中國三大合成生物學研究所之一。

圖 | 專家們在線上揮手致意

以下為 DeepTech 獨家授權(quán)發(fā)布的論壇精彩內(nèi)容：

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：今天我們邀請到了來自世界各國、非常杰出的各位專家，來討論合成生物學相關(guān)的問題。我們的主題是合成生物學的未來，以及合成生物學引領(lǐng)的下一次創(chuàng)新革命將如何改變我們的世界。這是目前的熱點話題。工程和生物學的融合正在開啟新的研究和發(fā)現(xiàn)，有望推動疾病治療、食物供給、能源動力、延長壽命等各領(lǐng)域的進步。在這樣廣泛的背景下，我提出幾個議題供大家討論。

合成生物學的下一個突破會是什么？

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：首先，目前我們最先想到的就是，在預防和應對新冠疫情和其他新發(fā)傳染病方面，合成生物學可以發(fā)揮怎樣的作用？大家可以先談一談你們在新冠診斷方面的工作。

美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）：我的研究組研發(fā)了一些診斷方法，包括一種可以在 15 分鐘內(nèi)完成的家庭測試。我們還在利用 DNA 條形碼技術(shù)改進測序流程，從而可以在一輪測序中同時測試數(shù)十萬個樣本，以及病原體的多個序列元件。

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：我們利用 CRISPR 和無細胞合成生物學技術(shù)做了幾項工作。我們合作創(chuàng)立了 Sherlock Biosciences 公司，該公司的一款基于 CRISPR 的 COVID-19 診斷試劑盒已經(jīng)由 FDA 批準上市。我們還在與 BINX 合作開發(fā)基于 CRISPR 的 COVID-19 臨床檢測試劑盒，有望在今年通過審批。

在我麻省理工學院的實驗室里，我們正在研發(fā)兩種居家診斷技術(shù)。一種是快速而廉價的唾液測試，可以在一小時內(nèi)提供結(jié)果。第二種是與可穿戴合成生物學相結(jié)合，生產(chǎn)嵌入無細胞診斷組件的口罩，或者是可以插入到普通口罩中的插入件，來進行診斷。這項技術(shù)正處于的原型展示階段。

英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）：在英國，疫情初期病毒診斷的需求量非常大。當時世界各地的試劑都嚴重短缺，因此我們迅速對已有的合成生物學技術(shù)平臺進行了改造，使其成為不依賴于試劑的診斷平臺。我們也提高了平臺的測試能力，能夠在 12 小時內(nèi)執(zhí)行一千次測試。這些平臺非常小，只占用約 2 米的實驗臺空間，可以放置在很小的實驗室里。現(xiàn)在，倫敦的一家大醫(yī)院正在使用五個這種平臺，每天進行 4000 多次檢測。這是英國 Pillar 1 測試的一部分。

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任克勞迪婭·維克斯（Claudia Vickers）：我現(xiàn)在在澳大利亞聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織（CSIRO，澳大利亞的國家科學研究機構(gòu)）全職工作。CSIRO 的工作覆蓋了新冠疫情的方方面面。我們利用我們的合成生物設(shè)施（biofoundry）為國家提供診斷支持，進行了大量的篩查工作（幸運的是結(jié)果比較樂觀）。我們還將診斷和治療相結(jié)合，開發(fā)了 “感知 – 反應” 系統(tǒng)，將診斷和治療之間的時間降至最低，為患者提供更多的治療機會。

中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員趙國屏：我的實驗室正在努力提高核酸診斷的準確性和靈敏度，也就是去解決 rRT-PCR 檢測結(jié)果的 “灰色區(qū)域”，改善假陽性和假陰性問題。我們有兩種主要的方法。首先，我們正與華大基因的芯片技術(shù)部門合作開發(fā)基于 CRISPR 的快速診斷方法，目前正在臨床試驗評估中。其次，我們正在開發(fā)一種名為 “PCR 擴增核酸特異性增強劑（Specific Enhancer for PCR-amplified Nucleic Acids，SENA）” 的新試劑，它可以將檢測所需的核酸量從每個 PCR 反應三點幾 個副本降低到每個反應一點幾個副本。

中國科學院生物物理研究所研究員張先恩：我們與同事共同開發(fā)了 N 蛋白檢測試劑盒。在中國無癥狀感染已經(jīng)成為新的關(guān)注點。我們正在想辦法更好地識別出這些患者。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：謝謝。合成生物學如何幫助開發(fā) COVID-19 療法？

美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）：由人類干細胞分化產(chǎn)生的肺細胞形成的類器官可用于對新療法的測試，我們正進行相關(guān)研究。

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：在我的實驗室里，我們正在開發(fā)可以靶向病毒基因組不同區(qū)域，從而抑制病毒復制的短 RNA 分子。我們還在開發(fā)一個無細胞封裝的診斷系統(tǒng)，可以在治療過程中檢測病毒。

美國加州大學伯克利分?；瘜W工程和生物工程教授杰伊·凱斯林（Jay Keasling）：我們正在尋找潛在的小分子藥物，其中之一可以終止病毒的復制。

韓國高等科學技術(shù)研究院化學與生物分子工程系院長、教授李相燁（Sang Yup Lee）：我們制作了一個全合成的人類單鏈抗體庫，其中含有大部分多樣化的互補決定區(qū)（CDRs）。我們正利用幾種不同的潛在抗原進行篩選，其中不僅包括 CDRs 或 Spike 蛋白，也包括其它位點。

我們也在篩選小分子藥物。我們實驗室的主要方向是代謝工程，此前建立了幾種用于酶設(shè)計和分子對接模擬的高級算法。我們使用這些工具模擬了約 6200 個不同的小分子與 SARS-CoV-2 主要蛋白的結(jié)合，包括病毒的主要蛋白酶以及 RNA 依賴的 RNA 聚合酶等。這 6200 個小分子都是已經(jīng)經(jīng)過臨床試驗的臨床藥物或潛在藥物，其安全性已經(jīng)得到證實。有趣的是，我們在其中發(fā)現(xiàn)了 52 個有潛力的分子。我們正在進行進一步的測試，希望能找到比現(xiàn)有藥物更有效的新冠藥物。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：謝謝。疫苗方面呢？

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：你們可能知道，Moderna 公司的疫苗已經(jīng)處于 III 期臨床階段，這種疫苗所使用的合成 mRNA 的關(guān)鍵技術(shù)，是由我們實驗室與 Derrick Rossi 和 George Daley 在 10 年前共同開發(fā)的。

在我們實驗室里，我們還有更慢一些的工作，在設(shè)計一種 BCG 疫苗（卡介苗）?？ń槊缡且环N用于預防結(jié)核病的減毒疫苗，已經(jīng)有 100 年的使用歷史。我們嘗試在其表面表達 SARS-CoV-2 抗原，將其改造為 COVID-19 疫苗，現(xiàn)在正處于動物試驗階段?？ń槊缬袔讉€優(yōu)點：它易于規(guī)?；a(chǎn)、價格低廉且不需要冷藏。因此非常適合在發(fā)展中國家使用。

中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員趙國屏：我的實驗室也在研究基于卡介苗的新冠疫苗。當然，這是基于我們之前對結(jié)核分枝桿菌的研究，以及對新冠臨床反應與自身免疫力的理解。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：新冠肺炎是一種全球性疾病，因此向所有國家提供疫苗非常重要。我們正在努力開發(fā)口服疫苗，這種疫苗易于使用，適用于發(fā)展中國家。

英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）：我們的合成生物設(shè)施正在與 Robin Shattock 合作，他是英國自我復制 RNA 疫苗研發(fā)工作的領(lǐng)導者。這種疫苗與 Moderna 公司的技術(shù)相似，但也有不同之處。它將一個小的復制子封裝在脂質(zhì)載體中，進入肌肉細胞后，其中的 RNA 會開始復制并產(chǎn)生病毒 Spike 蛋白，從而激活免疫反應。

美國加州大學伯克利分校化學工程和生物工程教授杰伊·凱斯林（Jay Keasling）：我們在與一家大型制藥公司合作研發(fā)疫苗的佐劑。所有的疫苗中都含有佐劑，它們可以激活免疫系統(tǒng)，使疫苗更好地發(fā)揮作用。我們發(fā)現(xiàn)了一種非常有趣的佐劑，它是一種來自植物的天然產(chǎn)物。我們需要從植物中獲取相關(guān)的基因，并將其轉(zhuǎn)移到酵母中，這樣才能更快地生產(chǎn)出這種佐劑。合作公司對我們說，我們可能需要十億劑這種佐劑，所以他們一直在大力推動我們的工作。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：除了診斷、治療和疫苗，我認為感染的預防也很重要。我們正在努力開發(fā)新的方法，通過調(diào)節(jié)人體微生物組來激活我們的免疫系統(tǒng)，這可能會成為提高人體抗病毒能力的方法之一。

美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）：自 2002 年以來，我們一直在推動生物氣象圖倡議（BioWeatherMap Initiative）。這是一項環(huán)境感知工程，旨在闡明微生物的地理和時間分布模式。在新冠疫情的背景下，人們才第一次認真對待這個計劃。借助 BioWeatherMap 網(wǎng)絡(luò)，我們將能夠了解當?shù)厣鐓^(qū)的微生物分布情況。我們可以更早地檢測出 0 號病人以及病原體的傳播，社區(qū)就可以更快地采取行動。我們希望這個系統(tǒng)可以在未來發(fā)揮更大的作用。

中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員趙國屏：目前，我們已經(jīng)擁有了來自全球的超過 8 萬個 SARS-CoV-2 基因組序列，我們的生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)中心在嘗試開發(fā)一個追蹤系統(tǒng)，讓人們能夠?qū)崟r分析這些基因數(shù)據(jù)。此外，通過將序列變異與相應的流行病學數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，可以清楚地看到新冠病毒在世界各地和不同時期是如何變化的。

合成生物學可以幫助確立一個安全有效的研究體系，來研究這些傳染性病原體。例如，現(xiàn)在人們在使用偽病毒來測試不同類 SARS 病毒或 SARS 相關(guān)病毒的 Spike 蛋白，希望能從中獲得更多信息，來尋找 SARS-CoV-2 的動物來源，也為疫苗設(shè)計提供幫助。

美國斯坦福大學生物工程和化學工程教授、美國安西婭（Antheia）公司首席執(zhí)行官克里斯蒂娜·斯莫爾克（Christina Smolke）：我想提到另外一個問題，也就是醫(yī)藥用品的供應鏈。在這場危機中，美國醫(yī)院都經(jīng)歷了設(shè)備和藥品的短缺。在目前的醫(yī)療供應鏈中，從制藥廠到醫(yī)院、從農(nóng)場到制藥廠（如果我們要用農(nóng)場種植的植物來生產(chǎn)藥物的話）都有很大的延遲。在美國，已經(jīng)有很多關(guān)于如何加強供應鏈、提高響應速度的討論。合成生物學也可以為我們重建藥品供應系統(tǒng)提供新的途徑，從而降低延遲，在全球公共衛(wèi)生危機中迅速采取行動。

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任克勞迪婭·維克斯（Claudia Vickers）：沒錯。在 CSIRO，我們也在努力建立環(huán)境生物感知系統(tǒng)，改善供應鏈，加強發(fā)酵工業(yè)以生產(chǎn)有用的化學品。我認為，面對這場前所未有的危機，信息和資源的共享非常關(guān)鍵。我們的措施仍有改進空間，但我是樂觀的，因為我們已經(jīng)看到了極大的進步，每個人都在朝著同一個目標努力。

合成生物學領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)是什么？

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：謝謝大家。合成生物學發(fā)展迅速。您認為，過去 5 年中，該領(lǐng)域的主要變化是什么？

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：從無細胞合成生物學中涌現(xiàn)的大量創(chuàng)新工作，讓我大為著迷。其中包括紙基診斷、快速原型設(shè)計、便攜式生物分子制造，甚至是合成生物學教育工具包等各種實際應用。

英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）：我同意。在我們的領(lǐng)域中，正在發(fā)生一場小型的無細胞革命。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：我認為過去 5 年中最大的變化是人工智能（AI）和其他數(shù)據(jù)方法的引入，這極大地促進了我們領(lǐng)域的發(fā)展。在未來，計算機設(shè)計能力還將繼續(xù)提高。

韓國高等科學技術(shù)研究院化學與生物分子工程系院長、教授李相燁（Sang Yup Lee）：過去 5 年中最令人興奮的可能不僅僅是單一的技術(shù)，而是所有這些強大的合成生物學技術(shù)和策略正在逐漸整合在一起，以提高我們設(shè)計細胞代謝和調(diào)控途徑的能力，并最終實現(xiàn)所需的細胞功能，或提高生物產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。

美國斯坦福大學生物工程和化學工程教授、美國安西婭（Antheia）公司首席執(zhí)行官克里斯蒂娜·斯莫爾克（Christina Smolke）：在過去的 5 年里，人們越來越認識到合成生物學的重要性。各國政府和許多初創(chuàng)公司都投入巨資，將這些技術(shù)應用于不同的行業(yè)。這種趨勢在美國尤其明顯。在未來，我們將會看到這些投入在商業(yè)化領(lǐng)域不斷獲得成功。我們將看到許多實際應用，包括那些在更復雜系統(tǒng)中的應用，將為我們提供疾病療法和微生物組相關(guān)的應用。

合成生物學正在發(fā)生和將要發(fā)生的變化

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：目前合成生物學領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)是什么？

英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）：在合成生物學領(lǐng)域剛剛建立時，它的一個偉大的目標是實現(xiàn) “可預測的設(shè)計”，讓我們能夠在基因水平上設(shè)計任何生物系統(tǒng)，從而穩(wěn)健、可預測地完成特定任務(wù)。這一目標至今還沒有實現(xiàn)。因此，這一領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一，仍然是將 “設(shè)計 – 測試” 周期與機器學習等數(shù)據(jù)方法相結(jié)合，建立起可預測的生物設(shè)計方法。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：另外一個挑戰(zhàn)是，我們?nèi)匀徊惶私鈴碗s的生命系統(tǒng)，不太了解基因的功能以及基因之間的相互作用。我認為開發(fā)一些工具來更快速地理解高等生物、微生物組等復雜生命系統(tǒng)，是非常重要的。

韓國高等科學技術(shù)研究院化學與生物分子工程系院長、教授李相燁（Sang Yup Lee）：沒錯。對我來說，如何將基因到 mRNA、mRNA 到蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)到其功能、功能到代謝通路，以及所有這些與調(diào)控和信號通路聯(lián)系起來，是一個很大的挑戰(zhàn)。如果我們能夠使用大數(shù)據(jù)和深度學習工具來破譯這些關(guān)系，就可以更好地進行代謝工程、合成生物學設(shè)計以及任何所需產(chǎn)品的合成，包括用于新冠肺炎治療的小分子和生物藥物。

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任克勞迪婭·維克斯（Claudia Vickers）：我同意現(xiàn)在的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計和了解生命系統(tǒng)。要讓我們設(shè)計出來的生物途徑正常工作，我們經(jīng)常需要與進化的力量相對抗。我希望計算方法、DNA 存儲等各種技術(shù)可以幫助我們更好地了解和設(shè)計生命系統(tǒng)。

應對新冠，合成生物學可發(fā)揮怎樣的作用？

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：在未來 5 到 10 年中，您認為會有哪些新進展？合成生物學的下一個突破會是什么？

美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）：我認為類器官、逆轉(zhuǎn)衰老技術(shù)和體內(nèi) DNA 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)將是未來的主要方向。更好的類器官將有助于疾病療法的研發(fā)，現(xiàn)在我們已經(jīng)有新的 3D 生物打印方法來更好地構(gòu)建類器官。體內(nèi) DNA 數(shù)據(jù)存儲是另一個重要的正在發(fā)展的領(lǐng)域。

我們已經(jīng)能夠?qū)?1TB 的數(shù)據(jù)存儲在約 30 納克的 DNA 中，30 納克只是一只小鼠體重的 10 億分之一。我們將可以在細胞中存儲其自身的發(fā)育譜系信息，以及任何能夠被轉(zhuǎn)錄的其他信息。

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：我認為未來 5 年會有兩個令人興奮的進展。其一，是計算方法的重新引入或者說重新強調(diào)。計算方法曾經(jīng)大大推動了合成生物學的早期發(fā)展。而現(xiàn)在我們認識到，我們對于設(shè)計原則的理解還沒有達到我們應該達到的程度，所以很多人正在轉(zhuǎn)向大數(shù)據(jù)和 AI 方法，來揭示相關(guān)設(shè)計原則。其二，我認為我們將看到合成生物學被更多地用于拓展我們對分子生物學的理解。我們可以利用合成生物學來探索和理解天然的生物系統(tǒng)。

韓國高等科學技術(shù)研究院化學與生物分子工程系院長、教授李相燁（Sang Yup Lee）：我希望我們最終可以在計算機系統(tǒng)的輔助下，構(gòu)建出流暢、完整的設(shè)計流程，并將其應用于許多令人興奮的主題。我相信這一目標終將實現(xiàn)。

美國斯坦福大學生物工程和化學工程教授、美國安西婭（Antheia）公司首席執(zhí)行官克里斯蒂娜·斯莫爾克（Christina Smolke）：我們都知道人工智能和數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)非常重要、潛力巨大。而這其中的挑戰(zhàn)之一是如何獲得高質(zhì)量、大容量的數(shù)據(jù)集，讓這些工具更有效地推進設(shè)計。

中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員趙國屏：沒錯。而且除了數(shù)據(jù)集，我們還需要對應于不同應用場景的各種知識圖，以支持機器學習和其他 AI 方法。

美國加州大學伯克利分?；瘜W工程和生物工程教授杰伊·凱斯林（Jay Keasling）：在應用方面，我認為在將來，合成生物學應該致力于應對地球文明的重大挑戰(zhàn)，包括老齡化和農(nóng)業(yè)問題等。每個人都會變老，合成生物學可以幫助我們延長壽命，并提高老年人的生活質(zhì)量。在這方面，我們可以從免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)入手，幫助老年人對抗年齡相關(guān)的自身免疫性疾病。此外，合成生物學可用于設(shè)計微生物組，這將是調(diào)節(jié)身體環(huán)境、治療疾病的一種可行方法。另一個巨大的機會是糧食和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。我們需要以有利于環(huán)境的方式向所有人提供食物。很多有趣的初創(chuàng)公司都在涉足這一領(lǐng)域，它們將獲得巨大的進步。

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任克勞迪婭·維克斯（Claudia Vickers）：地球的另一個巨大挑戰(zhàn)是環(huán)境和生態(tài)，對此，合成生物學也可以有所貢獻。例如，我們最近鑒定出了在珊瑚與相關(guān)微生物組之間相互作用過程中的一些關(guān)鍵基因，對這些基因進行設(shè)計，將可以提高珊瑚對白化的抵抗力。我們可以使用合成生物學技術(shù)幫助這些物種來應對氣候變化。

造物致知、造物致用

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：我請這一部分的最后一位發(fā)言者張先恩老師來總結(jié)一下這部分的討論。

中國科學院生物物理研究所研究員張先恩：過去 5 年的主要變化和即將出現(xiàn)的突破可以從三個方面來概括。首先，造物致知。這是合成生物學的基本理念，我們正在探索新的方法來更好地了解進化過程、生命系統(tǒng)的多樣性，以及疾病機制。

第二，造物致用，我們利用合成生物學開展許多應用，從醫(yī)藥、精細化學品、能源、農(nóng)業(yè)和食品到環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的保護。而且，合成生物學正與其他學科相融合，使生物材料、生物傳感、生物電池、DNA 存儲和許多其他有趣的概念成為可能。此外，研究者也開始改造更復雜的生命系統(tǒng)，比如高等生物和微生物組。

最后，合成生物學技術(shù)正在快速發(fā)展，包括基因的測序、合成和編輯技術(shù)，計算方法、3D 打印等。

關(guān)于當前的挑戰(zhàn)，我同意大家的觀點，可預測的設(shè)計是主要的挑戰(zhàn)。在更好的理解和設(shè)計復雜生命系統(tǒng)之前，還有一些需要克服的困難。

最后，我想做一個簡短的總結(jié)：合成生物學開啟了生命科學的新時代，它正在徹底改變當前的生物技術(shù)。

生物安全和倫理問題，用積極的敘述來減少誤解

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：公眾對于合成生物學存在一些誤解。常見的誤解有哪些？我們?nèi)绾尾拍芟@些誤解，更有效地與公眾溝通？

英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）：這個問題已經(jīng)存在很多年了。而在新冠危機中，許多人突然意識到，在合成生物設(shè)施中，科學家有能力用合成生物學技術(shù)非常輕松地制造出數(shù)以千計的不同種類的病毒。在這樣的背景下，我們急需向公眾提供更多積極的科普敘述，告訴大家在自然界中有成千上萬的天然病毒隨時都可能入侵人類社會，因此，如果我們能夠在它們真正感染人類之前，在實驗室中制造一些病毒并在受控的環(huán)境中測試其傳染性，將是非常有益的工作，會讓我們能夠更好地處理將要發(fā)生的疫情。我們需要向公眾展示更多成功的合成生物學案例，讓人們看到這些技術(shù)有多棒，看到它們可以通過許多不同的方式來造福社會。

中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員趙國屏：在中國，有許多針對轉(zhuǎn)基因生物和基因療法的誤解。如果我們想在農(nóng)業(yè)和藥物領(lǐng)域更好地應用合成生物學技術(shù)，這些負面的聲音是一個重要的障礙。

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任克勞迪婭·維克斯（Claudia Vickers）：在 CSIRO 的未來科學平臺中，我們有一個名為 “影響最大化” 的項目，專門處理合成生物學相關(guān)的社會、倫理、法律、政策和機構(gòu)等問題。這個項目做了一件非常有趣的工作，我們稱之為 “公眾對合成生物學態(tài)度的國家基線調(diào)查”，我們采訪了澳大利亞各地的 8000 人，詢問他們對合成生物學的看法。我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)人對技術(shù)的了解程度很低。但好消息是，一旦我們向他們介紹了一些技術(shù)相關(guān)的信息，大多數(shù)人都有興趣了解更多。平均而言，他們對技術(shù)的態(tài)度是正面的，而不是消極的。最重要的是信任 —— 如果公眾普遍信任科學家、對科學治理有信心，我們就能更好地與他們溝通并減輕誤解，擴大科學的影響力。

我還想提到一點，許多媒體很關(guān)注其他行星（如火星）的地球化改造以及類似的消息。這些消息聽起來確實令人興奮，但我認為修復我們正生活其上的這個星球才是更重要的事情。我們應該利用合成生物學工具，去替換掉目前使用的各種不可持續(xù)的生產(chǎn)方式，為我們的子女以及他們的子孫后代建造一個更美好的星球。

美國斯坦福大學生物工程和化學工程教授、美國安西婭（Antheia）公司首席執(zhí)行官克里斯蒂娜·斯莫爾克（Christina Smolke）：我認為一個常見的誤解是，許多人認為科學家可以很容易地設(shè)計出生命系統(tǒng)，而這通常不是事實。公眾并不總是能夠區(qū)分哪些是我們現(xiàn)在能夠做到的事情，哪些是我們還沒有實現(xiàn)的未來的發(fā)展方向，而這些未來的發(fā)展將會在多長時間之后才能實現(xiàn)。公眾對于改造生命系統(tǒng)的穩(wěn)健性也有誤解，尤其是它們在非設(shè)計環(huán)境中的穩(wěn)健性。在目前公開的描述中，這些細節(jié)都沒有得到很好的展示。

倫理問題缺乏全球標準

美國斯坦福大學生物工程和化學工程教授、美國安西婭（Antheia）公司首席執(zhí)行官克里斯蒂娜·斯莫爾克（Christina Smolke）：關(guān)于倫理問題，我認為一個挑戰(zhàn)是我們還沒有真正的倫理道德標準，告訴我們什么是可以接受的，什么是不能接受的。在不同的國家，甚至同一國家內(nèi)部，都有針對轉(zhuǎn)基因、生殖系編輯等技術(shù)的不同看法。技術(shù)本身和技術(shù)產(chǎn)生的影響都是全球化的，因此我們需要建立全球共識。

中國科學院上海生命科學院植物生理與生態(tài)研究所研究員趙國屏：沒錯。正如 Freemont 提到的，新冠疫情中浮現(xiàn)出來的生物安全問題非常嚴重。但是我認為這也是一個讓政府部門關(guān)注這一問題的好機會，希望各國政府能夠支持相關(guān)的國際合作，從而建立起合成生物學的標準化原則和監(jiān)管規(guī)則。在確定規(guī)則之后，所有人都應該遵守規(guī)則，而任何違反規(guī)則的活動都應被禁止。

中國科學院生物物理研究所研究員張先恩：合成生物學還很年輕，將來可能會出現(xiàn)意想不到的倫理問題，因此相關(guān)的倫理和法律研究應與技術(shù)研究同步進行。在中國的合成生物學研究計劃中，我們特別設(shè)立了相關(guān)倫理、教育和法律問題的研究項目。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：在日本，我們并沒有太多優(yōu)秀的倫理學研究者。因此，我希望國際上的研究能夠編寫出標準的教科書，以便我們對日本青年科學家進行倫理教育。

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：在向?qū)W生教授倫理標準方面，我所在的生物工程專業(yè)做得很差。我們基本上只是把倫理問題扔進課堂，讓學生們討論，但是并沒有清楚地向?qū)W生們解釋其中的倫理問題是什么，學生們很難依靠這些信息做出合適的決定。我認為，整個合成生物學研究群體需要在培訓年輕學生、指導他們在職業(yè)生涯中做出符合倫理的決定方面做得更好。

以技術(shù)確保生物安全

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：作為研究者，我們需要確保我們技術(shù)的安全性。那么，我們?nèi)绾瓮ㄟ^技術(shù)方法來避免潛在的問題呢？

美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）：我的研究組開發(fā)了重編碼（recoding）技術(shù)等各種基因隔離技術(shù)，以保證我們設(shè)計的生物對環(huán)境是安全的。我們可以讓設(shè)計出來的生物依賴于一種在自然界中不存在的非標準氨基酸才能存活，這樣它們就很難逃脫到天然環(huán)境中去。我們還可以添加 “死亡開關(guān)” 來防止它們逃逸，不過如果這種開關(guān)可以因基因重組而失效，那么它也不是絕對安全的。另外，我們還可以改變細胞的遺傳密碼，通過這個相對簡單的技巧，這些細胞將可以系統(tǒng)性地抵抗所有病毒。

美國加州大學伯克利分?；瘜W工程和生物工程教授杰伊·凱斯林（Jay Keasling）：Church 實驗室做了很多有趣的工作，包括他提到的重編碼遺傳系統(tǒng)和死亡開關(guān)等等。我認為非常重要的一點是要讓設(shè)計出來的生物更加穩(wěn)定，讓它們可以長時間地執(zhí)行設(shè)計功能，并且不會在環(huán)境中發(fā)生變異。

韓國高等科學技術(shù)研究院化學與生物分子工程系院長、教授李相燁（Sang Yup Lee）：2019 年，世界經(jīng)濟論壇和核威脅倡議組織共同提出了一項國際計劃，旨在建立一個標準化的 DNA 序列篩選機制。這將是一個基于全球大數(shù)據(jù)的完全自動化的低成本系統(tǒng)，可以篩選出任何可能對人類或生態(tài)系統(tǒng)有害的可疑 DNA。由于新冠疫情，這個計劃還沒有全面啟動，但我認為我們確實需要這樣一個系統(tǒng)來預防合成 DNA 的濫用。系統(tǒng)本身并不能解決所有問題，但它可以幫助我們最大限度地降低可能出現(xiàn)的風險。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：這是我第一次聽說這個計劃，但我認為我們確實需要這樣一個軟件或算法，可以自動評估基因回路的安全性。此外，我們還需要制定一個完善的病毒遏制策略，以防止大規(guī)模的環(huán)境問題。

國際項目與國際組織對合成生物學的推進

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：在合成生物學領(lǐng)域，有一些國際組織和項目，如 GP-write、GBA、EBRC 等。這些計劃是如何組織起來的？它們對合成生物學的發(fā)展有怎樣的推動作用？在項目運行過程中存在哪些困難？

英國帝國學院傳染病系結(jié)構(gòu)生物學教授保羅·弗里蒙特（Paul Freemont）：國際合成生物設(shè)施聯(lián)盟（Global Biofoundry Alliance，GBA）于 2019 年 5 月在日本啟動。目前已經(jīng)有 29 個機構(gòu)簽署了 GBA 的合作備忘錄。GBA 的宗旨是推廣 “合成生物設(shè)施” 這一概念，并促進合成生物設(shè)施的發(fā)展，同時促進合成生物學方法與技術(shù)的開源共享、推廣高通量設(shè)計的整體理念。

GBA 設(shè)立了幾個工作組。其中一些相當活躍，如軟件工作組和重大挑戰(zhàn)工作組。目前，我們的主要工作之一是制定新冠肺炎的測試標準，并推動疫苗和抗原的快速生產(chǎn)。

現(xiàn)在，南美洲和非洲這兩個大洲還沒有合成生物設(shè)施。GBA 正在與這些地區(qū)密切合作，努力解決這一問題，從而在某種程度上推動技術(shù)平等。

對于 GBA 這樣以學術(shù)群體為基礎(chǔ)的國際組織來說，有兩個重大挑戰(zhàn)。首先，很難為這些組織找到國際資助。其次，要保持前進勢頭，讓人們持續(xù)參與其中并花精力投入國際聯(lián)合計劃并不容易。

美國哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）：GP-write（基因組編寫計劃）是一個開始于 2016 年的國際研究計劃。目前，全世界約有一百家實驗室對外宣稱自己是 GP-write 計劃的成員，其中相當一部分是商業(yè)性的實驗室。在 GP-write 之前，我們也組織過其他旨在合成酵母和大腸桿菌基因組、在各個方面重新合成和改造基因組的國際項目。

GP-write 致力于開發(fā)新技術(shù)和制定開放標準，讓工業(yè)方法以及基因組的讀取、編寫和測試更加高效。從這個意義上說，許多 GP-write 實驗室與合成生物設(shè)施有相同之處。我們也在尋找更安全的基因組編寫方法，使用多種技術(shù)來防止遺傳修飾物質(zhì)與環(huán)境的交換。

美國加州大學伯克利分?；瘜W工程和生物工程教授杰伊·凱斯林（Jay Keasling）：我來談一談 EBRC，工程生物學研究聯(lián)盟（Engineering Biology Research Consortium）。EBRC 起源于由美國國家科學基金會資助了 10 年的合成生物學工程研究中心?，F(xiàn)在，EBRC 在世界各地設(shè)有分支機構(gòu)，由聯(lián)邦政府、私人公司、私人非營利性基金會等許多組織提供資金。我們在美國注冊了一個非盈利機構(gòu)來管理 EBRC，并聘請 Douglas Friedman 擔任執(zhí)行主席。他不僅維護了 EBRC 的正常運轉(zhuǎn)，也在資金來源多樣化等方面做出了杰出的工作。管理一個國際組織有很多挑戰(zhàn)，但 Douglas 真的非常出色。我為 EBRC 的發(fā)展感到非常自豪。

EBRC 的主要工作與 GP-write 和 GBA 略有不同。英國、中國等一些國家設(shè)立了國家層面的合成生物學研究路線圖，但美國沒有這樣的路線圖。因此，EBRC 的一個主要目標就是制定技術(shù)路線圖。我們已經(jīng)制定了一個偏重于技術(shù)層面的合成生物學路線圖，目前正在研究制定材料、微生物組、生物安全等重點領(lǐng)域的具體路線圖。

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）合成生物學未來科學平臺主任克勞迪婭·維克斯（Claudia Vickers）：這些國際組織都需要強有力的領(lǐng)導、堅實的戰(zhàn)略、政策支持以及長期資助。在澳大利亞，CSIRO 為合成生物學未來科學平臺提供長期資助。我們希望這個平臺能夠有助于合成生物學技術(shù)的發(fā)展，同時服務(wù)于社會。

中國科學院生物物理研究所研究員張先恩：中國的許多研究機構(gòu)都加入了這些國際計劃。我很欣賞它們?yōu)榧夹g(shù)共享而做出的努力，這將促進整個領(lǐng)域的發(fā)展。

日本神戶大學科學技術(shù)與創(chuàng)新學院教授、化學科學與工程系教授近藤昭彥（Akihiko Kondo）：這些組織在數(shù)據(jù)共享和合成生物設(shè)施的標準化方面發(fā)揮了重要作用。這對每個國家的每一個合成生物設(shè)施都很有幫助。我還希望這些組織能夠為解決全球重大挑戰(zhàn)做出更多貢獻，這些挑戰(zhàn)是整個地球的挑戰(zhàn)，但不是一個國家的挑戰(zhàn)。

美國麻省理工學院醫(yī)學工程與科學教授、生物工程教授吉姆·柯林斯（Jim Collins）：過去 15 年來，這些組織為我們的領(lǐng)域做出了非常重要的貢獻。我認為我們的學科已經(jīng)到達了一個關(guān)鍵時期，應該考慮建立一個合成生物學學術(shù)群體的國際聯(lián)盟，這個組織應該可以像一柄大傘一樣，保護日益壯大的合成生物學研究群體，并幫助協(xié)調(diào)各方力量，促進整個領(lǐng)域的未來發(fā)展。

最后，我認為今天的討論是一場非常有力、令人興奮的討論。我們的領(lǐng)域還很年輕，正在迅速成熟。我們處于一個特殊的時間點，將能夠影響我們的世界將在未來幾十年中面臨的許多重要問題：健康、糧食、水、能源、環(huán)境等等。我認為毫無疑問，合成生物學將成為本世紀的標志性技術(shù)之一。我們還有很多工作要做。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所所長、教授劉陳立：謝謝大家。最后，我要感謝所有專家的真知灼見。這是一次非常成功的論壇，我相信也是一次歷史性的論壇。

來源：麻省理工科技評論