有人說生命是非常複雜的，是沒有辦法理解它到底是怎樣成長起來的。而在合成生物學家的眼裡，能不能通過建造生命去理解它呢？作為合成生物系統，就是去掉冗餘的信息，只留存最基本、最核心的信息，讓它產生最核心本質的結構。

出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院深圳先進技術院合成生物學研究所劉陳立演講實錄：

這個桌面上有很多物品，大家覺得哪一個的技術含量是最高的？或者哪一個設計是最精妙的？

很聰明，是這盆草。因為它不需要太多人為的干預，只要曬一點陽光，澆點水，它就能從一粒種子生長、繁殖，長成這樣的一個植株，而且每次都長得差不多。

自然界中豐富多彩的物種，包括我們自己都是從一個細胞慢慢生長、發育變成一個複雜又非常美麗的個體。這個過程不是人類干預的過程，是自然界的演化過程，我們能不能理解它，甚至是掌握它呢？

造物致知

有人說生命是非常複雜的，是沒有辦法理解它到底是怎樣成長起來的？

薛丁格寫過一本名為《生命是什麼》的書，他說生命其實是有序的，是有法則可依的。朱熹老先生也說過格物致知，所以第一部分內容是造物致知。

費曼先生說只要這個事物我不能造出來，我就不理解。

合成生物學家說能不能通過建造生命去理解它呢？

這些美麗的圖案，有斑馬的條紋、老虎的條紋，它們是怎樣從一個細胞通過生長、發育，形成這樣漂亮的圖形的呢？如果人類自己去建造、去設計這樣的圖形，要怎麼做呢？

這是北京奧運會時的圖片，一種做法是把人排成一排排後，站在固定的位置，然後翻牌。

另外一種做法是大家跑到固定的位置，然後形成固定的形狀。這兩種我們憑直覺想出來的方法，其實自然界也在用。

例如，這是一個昆蟲的胚胎，它的細胞在不同的位置做著不同的事情。

這是另外一個胚胎，它的細胞通過運動形成了特定的結構。

我們要做一個理解自然的系統，去研究它到底是怎麼形成這個漂亮和複雜的結構的？因為自然系統非常複雜，它的基因網絡有非常多的層次。

作為合成生物系統，我們是不是可以簡化它，去掉那些冗餘的信息，只留存最基本、最核心的信息，就是讓它產生最核心的本質的結構呢？

為了做這件事情，我們再簡化一點，我們不用細胞，而採用細菌。細菌非常小，像大腸桿菌只有1微米大（1微米是1毫米的千分之一），要在顯微鏡下才能看得見。

我們把這個細菌接種在一個培養皿上，這個培養皿差不多10厘米大小，這個細菌會生長，變多，逐漸占滿整個培養皿。

如果我們從其他的物種借一些基因，加入一些設計放到這個細菌中，我們再將這樣的一個細菌放到培養皿里，它就能夠自己生長、發育，變成這樣一個條紋的狀態。你不做任何人為的干擾，只要把它點在培養皿上，它自己就長出來了。

生物界中還有一個很有意思的問題，這種重複性的條紋的數量是有嚴格控制的，比如說馬的蹄子只有一瓣，犀牛的蹄子為三瓣，人的手指有5個，如果長出6個來就認為是不正常了。所以這個數量是嚴格調控的。剛才我們看到的這些條紋，能不能調控數量呢？

如果我們再給它改變一個基因，就發現只要調控這個基因的量的多少，它的數量就可以從5個調到2個，或者是1個，甚至沒有，非常簡單。

還有一個有趣的問題，就是重複結構的大小。長頸鹿的頸椎和人一樣都是七塊，但它的頸椎比我們長很多，這個長度到底是由什麼決定的呢？

我們又改變了一個基因。我們發現只要改變這個基因，條紋或者是重複結構的大小，就能夠很容易進行變化。

上述我們從其他物種借一些基因加到一個細菌里，用某種機制，讓它得到一個有序結構，能夠幫助我們理解背後的普適的原理。

剛才舉的例子是單種細胞，也就是單個細菌，它自己形成了條紋的結構。而胚胎，它的細胞有不同的種類，比如皮膚細胞在外面，然後肌肉細胞在皮膚下面，還有骨骼、血管在裡面，等等，它總是在不同的位置分布。

作為合成生物學家，我們就在想，怎麼讓不同的細胞在空間上的不同位置分布呢？假設我有5種細胞，能不能讓這5種細胞去生長、運動，讓它能夠在空間上占領不同的位置，形成外一層、里一層，再到中間這樣的位置呢？

我們通過實驗完成了，5個細胞點上去，不用理它，它自己就可以生長，然後分布在不同的位置。在這裡面我又發現了一個可能普適的原理和規律。

格物致知

前面舉的幾個例子就是造物致知。格物致知就是傳統的生物學，自上而下的，比如發現這片葉子之所以形成這個形狀，它背後的基本原理或者是可能的作用機制。

造物致知就是自下而上的，自己設計一個機制，讓它長出一個有點像我們自然界看到的那些形狀的生物結構。

這有兩個啟示。一個是自然界中的這些類似結構背後的機制跟我們人腦想出來的，憑直覺自己設計出來的機制，可能是相通的。

第二個啟示，我們並不關心自然界，它形成這個結構是因為怎樣的原理或者是怎樣的機制。作為合成生物學家，我們要造一片葉子，用我們自己設計的機制發現了這個原理就可以了。只要它的結構和功能一樣，我們可能就滿足了。

再回到這個桌面，我們現在還不完全掌握自然界演化過程的內在規律及其技術，還沒辦法從頭去造出這樣一粒種子，讓它能夠像一棵樹或一株草一樣，成為自己長出多細胞的生命體。

我們現在的技術能夠做什麼？我們可以對它進行改造。比如說讓它發光，這是現在可以做到的。當然現在可能不夠亮，如果夠亮，或者我們能夠控制它的話，也許我們能夠創造一個像《阿凡達》一樣的世界。

我們再暢想一下，也許能夠把城市中的路燈全部換成發光的樹，白天不亮，晚上按一個開關，樹就自己亮了，整個城市將節約很多電。

這是一種改造。還有另外一種改造。合成生物學改造生命體常用的就是青蒿素。青蒿素是從植物黃花蒿裡面提取出來的，黃花蒿的種植可以說是靠天吃飯，產量不穩定，價格也不穩定。

美國的一位教授把黃花蒿裡面的基因放到酵母菌中，酵母菌比前面講到的那個細菌大五六倍，有5到10微米。他把酵母菌放到發酵罐里，像釀啤酒的方式來釀青蒿素。

可以說黃花蒿大部分的植株是沒用的，因為含有青蒿素化學成分的只有一點點。我們就讓這個酵母只干生產青蒿素這件事兒，這個事情已經做成了，已經在服務社會了。

最近，我們研究所的一位老師羅小舟，在美國的實驗室工作時，做的一項工作是把大麻裡面的基因放到了微生物里，讓微生物直接生產大麻素這一類的藥物鎮定劑，像CBD。

下面這位小朋友叫夏洛特，她得了癲癇，每個月要發作300次。但是如果吃了大麻素的有效成分CBD，就會減緩症狀，每個月只發作10次。這就是用合成生物學技術來生產這些農業來源的藥物的一個例子。

第二個例子，我的好朋友鍾超教授在用細菌生產膠水，這個細菌能夠不斷繁殖，也就是說這種膠水永遠用不完，自己會生長，你要用的時候加一點鐵離子，它就凝固了，而且在水下面也可以用。

還有一個例子，我另外一個朋友葉海峰教授做的一項工作。圖中這隻小鼠得了糖尿病，他把一團能夠分泌胰島素的細胞，包裹在一個微膠囊裡面，然後把這個微膠囊植入小鼠的腹腔。

小鼠只要喝茶，就能誘導膠囊裡面的細胞分泌胰島素。只要喝茶就等於吃藥了。這是最近的一項工作，也是合成生物學在醫學上的一個運用。

目前，合成生物學雖然還不能從頭去造一個生命體，我們對它的基礎原理還不是很了解，只是剛剛起步。但是現有的技術和對生命的理解，已經能夠讓我們做一些事情，運用在醫藥、食品、能源、健康等各個方面。

現在國外比我們發展快一些，中國剛剛起步。

可能最厲害的、最佳的合成生命體的設計師就是偉大的中國古代勞動人民，他們設計了龍，龍是鹿腳、獅子頭、鱷魚的嘴巴、蛇身、魚鱗、虎掌、鷹爪合成而來。

中華民族真是充滿想像力和創造力的民族，讓我們一起造物致知。

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