你赶上了生命科学大发展时代，但了解合成生物学未来的主流方向吗？
张琦 前哨团成员，亚利桑那州立大学博士在读
合成生物学（Synthetic Biology）是一个跨学科的专业，它集合了传统生物学、工程学及数学的知识体系和研究方法，涉及的领域相当之广，包括生物技术、进化生物学、基因工程、分子生物学、生物信息学、系统生物学、生物物理及计算机科学等等。
从主流上讲，我认为合成生物学的目的是将一个或者一组具有特定功能的基因群作为一个“零件模块”，通过基因重组等技术，将这些模块设计或者重设计而形成一个新的基因网络，通过调控这些网络来调节一个细胞、一群细胞甚至一个生物系统，从而执行想要的功能。最终，这些功能可以通过数学方法和计算机构建模型，来进行模拟和预测。
相对国内而言，美国做合成生物学的实验室比较多，值得关注的合成生物学实验室有前波士顿大学 Jim Collins 教授的实验室（目前 Jim Collins 在麻省理工），哈佛医学院的 George Church 教授的实验室，加州大学旧金山分校的Christopher Voigt 教授的实验室，麻省理工的 Timothy Lu, Ron Weiss 及张锋教授的实验室等等。
同时，在美国以合成生物学知识为创业背景的公司也相对较多。我相信作为未来最具有潜力的专业之一，国内也会涌现出更多与合成生物学相关的实验室和公司。
作为一门新兴学科，合成生物学将来会有哪几个主流的发展方向呢？
我认为有四个：合成生物学的基因编辑、合成生物学体内外诊断、药物传递和细胞生物种群控制。
基因编辑是一个重点。（由于合成生物学是一个跨专业学科，下文所举之例即使和别的学科有交叉，本文里均隶属合成生物学。）
众所周知，基因编辑或者基因组编辑（Genome Editing）顾名思义是一项基因工程技术。其中最热门的是 CRISPR 系统。
目前在实验室基础上已经实现了对原核、真核甚至哺乳动物细胞基因和基因组的编辑：
通过 CRISPR 系统与同源重组技术的共同使用，替换修复受损 DNA 序列；利用点突变改变核酸内切酶 Cas9 的特定氨基酸位点，从而去除其内切酶活性或者将其转化为缺刻酶（只切割 DNA 中的一条链）进行基因编辑；还可以利用除去内切酶活性的 Cas9 与其它转录因子共同表达（融合蛋白），作用于特定的DNA序列，从而调控基因的表达甚至表观遗传等等。
美国有些公司的创立就是建立在这些技术基础之上。例如 Sangamo BioScience,Inc. ，他们利用 ZFNs 来治疗艾滋病、血友病、亨廷顿病等；麻省理工的 Feng Zhang（张锋）、哈佛医学院的 George Church 等知名教授一同创立的 Editas Medicine 和由加州大学伯克利分校的 Jennifer Doudna 等教授创立的 Caribou Bioscience 是建立在 CRISPR 领域中最出名的两个公司，他们的技术手段是利用 CRISPR 系统进行基因编辑从而达到疾病治疗的目。
比尔·盖茨及其他一些投资人也曾向 Editas Medicine 投资了上亿美元的科研资金。同时，上述教授的研究工作带动着该领域的发展，他们也是诺贝尔奖等奖项上的大热门。
为什么基因编辑技术会如此吸引人类的眼球？
简单来说，基因突变是很多疾病产生的根本原因（包括癌症），从理论上讲，利用该技术可以治愈一切由于基因突变而导致的疾病，应用前景可谓之广。
随着 Cpf1 核酸酶和 Ago 核酸酶家族的发现（类似于 CRISPR 的基因编辑系统），未来基因编辑技术会日趋完善，利用该技术进行基因临床治疗也指日可待。我坚信越来越多的科研资金将会投入到基因编辑的研究中去，而更多与此技术相关的公司也将会被创立。
利用合成生物学进行体内外诊断和药物传递这两个方向，虽然还处于起步发展阶段（以实验室为主），但未来必会成为疾病检测和治疗的大热门。
合成生物学进行体内外诊断主要是利用合成生物学方法，创造出快速、精确、廉价的合成生物学“设备”，从而诊断、治疗疾病。
今年五月份，麻省理工的 Jim Collins 等教授在《细胞》杂志上发表了一篇通过“合成生物学设备”（Sensor）体外探测寨卡病毒（Zika Virus）的文章。寨卡病毒为黄病毒属，也是 RNA 病毒的一种。作者们利用电脑软件设计制作出能够探测寨卡病毒的合成生物学“设备”，通过抽取样本（采血）中的 RNA 并与该设备发生反应，短短的几个小时就能探测到样本是否感染寨卡病毒。
相比传统的检测方法，此设备大大节省了检测的时间及费用，并且适用于实地检测。
合成生物学药物传递是指通过构建基因网络，利用一定的诱导因素（例如光、热、酸碱度、药物等等）启动该基因网络，从而使下游的靶向药物表达并在细胞间传递。
今年八月份，加州大学圣地亚哥分校 Jeff Hasty 教授实验室在《自然》杂志上发表了一篇关于利用合成生物学进行药物传递的文章。作者们利用锚定癌细胞的细菌作为药物传递的平台，通过激活该平台中合成的基因网络，周期性的释放药物，并将药物传递至小鼠肿瘤细胞并将其杀死从而达到治疗效果。
合成生物学的细胞种群数量控制是另一个比较新的方向，在未来也具有极大的发展潜力，尤其是在工业生产和疾病治疗这两块。
大家都知道，人的口腔和肠胃内有上百种菌，人体中细菌总数甚至是细胞总数的 10 倍左右。一些疾病，尤其是口腔、肠胃疾病，就是由于不同菌种种群数量变化而导致的。
所以通过构建特定的基因网络并以合适的工程菌作为载体，利用工程菌与环境中其它菌种相互作用来调控种群数量，从而缓解疾病。杜克大学的 Lingchong You 教授在研究菌种种群数量动力学及细胞周期调控等方面值得关注。
值得一提的是，合成生物学界还有个世界性质的比赛，叫 iGEM（International Genetically Engineered Machine) 。该赛事起始于麻省理工，主要目的是利用合成生物学中的各个基因零件（比如：启动子、终止子等等）将其构建成有趣、具有新功能的基因网络，最终利用该系统在细胞内发挥特殊作用。
每年比赛都会涌现出很多新鲜有趣的点子，有些点子也正在逐步的走向创业的道路。国内的北京大学、浙江大学还有中科大代表队均在历届的比赛中，得过不错成绩。
从现在行情来看，大部分以合成生物学为主的创业公司都是基于电脑端，如 Cambrian Genomics、Transcriptic 和 Genome Compiler 等等，换句话说就是以生物数据分析为主。基于实验端的合成生物学公司则相对较少。
21世纪是生命科学的年代，随着后基因组时代的到来，更多的资金也会投入到相关的领域中去，越来越多的公司也会随之应运而生。相信在不久的将来，随着合成生物学技术的不断成熟，人类能够从中获得更多的益处。
