生命体的工程化改造，或将很快颠覆一切

合成生物学才刚刚拉开序幕。

撰文

1 全新的世界

生物学，是一种在分子尺度上排布物质、将每个原子精准归位的方式；是一套从最小的活细胞，到整个有生命的星球，全尺度调控能量流动的体系；是在一个其他所有方面都趋向于熵增停滞的宇宙中，孕育秩序与惊喜的过程；同时，它也为生命的长度、生命所能实现的价值，设下了重重限制。

而生物学，也能让3500名满怀热情的年轻人，齐聚美国马萨诸塞州波士顿的海因斯会议中心。去年10月，来自42个国家的300多支队伍，在这里参加了一年一度的**国际遗传工程机器大赛（iGEM）**。iGEM基金会通过鼓励参赛团队在这场全球总决赛中合作与竞技，希望为合成生物学产业搭建一套发展框架。这一学科融合了分子生物学与工程学，旨在通过生物改造实现特定目标。在过去的夏天里，这些年轻人从一个“用生物学方案满足人类需求”的创意出发，完成了新基因的设计，并验证了自己的创意能否落地实现。

在iGEM大赛中，呈递给评委与同行的项目覆盖范围令人惊叹：有团队尝试让细菌拥有人类的嗅觉，也有团队研发可用于在火星建造基地的真菌。中国高中生组成的大湾区团队，凭借在酵母与细菌中合成猫薄荷活性成分的项目获奖，他们认为这项成果有望助力流浪猫收容项目。德国马尔堡大学的研究生团队，则凭借一套新型基因工具获奖，该工具能让一种生长极快的细菌——需钠弧菌，更便于其他工程改造人员使用。

并非所有iGEM项目都能成功落地。参赛团队从中学会的一件事是：尽管如今对生命体进行工程改造已具备可行性，但难度依然极大。生命系统往往有着极强的抗改造性。即便如此，目前全球已有32家初创企业，脱胎于iGEM的参赛团队。银杏生物工作室（Ginkgo Bioworks）便是其中之一，这家公司源自麻省理工学院（MIT）在2004年和2006年参赛的团队，如今在波士顿另一端的实验室里，正以惊人的速度为农业和化工行业的客户定制改造全新生命体，已累计获得4.29亿美元的投资。

然而，这场全球总决赛的核心意义，并非通往财富的路径。它是对一项技术的礼赞与探索，而这项技术终将彻底改变有生命的世界，其影响远不止于试管之中。人类对无生命物质的工程改造，已经创造了无数奇迹：从玻璃幕墙摩天大楼，到计算机核心的熔融硅芯片。完全有理由相信，对有生命的物质进行工程改造，也能创造出同样伟大、同样多元的奇迹——这些奇迹就像200年前的摩天大楼与硅芯片一样，是如今的我们完全无法想象的。

闪耀而绚烂的全新世界

人类利用生物学实现自身需求的历史，已超过一万年。人们通过选择性育种，重塑了农作物与畜禽的性状；通过物种迁徙，改变了生态系统的结构——最具代表性的，就是让新旧大陆动植物交融的“哥伦布大交换”。上世纪50年代，人类发现基因就像股票行情自动收录带上的价格信息，被编码在长长的DNA分子上；到了70年代，科学家已经能够通过剪切、粘贴这些DNA片段，将一个物种中演化形成的性状，转移到另一个能发挥其价值的物种中。这项能力，也成为了生物技术产业的基石。

合成生物学的核心赋能技术，是**全新DNA序列的从头合成能力**，而非仅仅将自然界已有的基因在不同基因组间转移。能够逐个碱基合成DNA的仪器，在上世纪80年代末开始出现；十年后，已经有公司能够按照客户需求，合成几乎任意DNA序列，并直接快递上门。生物学家从此不再受限于自然界中已有的基因，能够让细胞以全新的方式运作——对细胞进行重编程。

正是这项全新的能力，促成了世纪之交的三大学术趋势融合，最终诞生了合成生物学。

第一个趋势，以麻省理工学院的工程师为核心。这群人在60年代到80年代，引领了计算机与互联网革命。DNA测序技术的价格断崖式下跌（测序仪只需读取生命的“行情纸带”，而非写入，因此运行速度要快得多），让他们清晰地认识到，生物学和计算机一样，以数字编码为基础，同样能够实现指数级的发展。由此他们得出结论：理论上，细胞可以像电路和软件一样，被工程化改造。

自然界的基因编程极其复杂缠绕，它在无意图、无引导的情况下演化而来，更没有配套的使用手册。但如果能合成全新的基因，用更简单、全新的方式实现目标功能，研究者就无需再费力解析自然界原有的复杂基因网络。生命可以被改造成更适配工程化方法的形态，拥有定义清晰、标准化的元件。MIT的先驱者之一汤姆·奈特和他的同事们认为，这种生物工程技术，将像他们早年参与的互联网与个人计算机工作站研发一样，拥有改变世界的力量。而他们也找到了一代充满热情的学生——这些学生在电影院里经历的第一个震撼时刻，正是《侏罗纪公园》里那些经过基因工程改造的恐龙。

合成生物学的第二个组成部分，来自持相似思路、但研究方向相反的学者。他们并非试图绕开自然机制，而是想要重现这些机制，尤其关注细胞调控基因开启与关闭的系统。只有当基因被开启（即“表达”）时，细胞才会合成该基因序列编码的蛋白质；当基因被关闭（即“抑制”）时，蛋白质的合成就会停止。由于蛋白质是执行细胞内几乎所有生命活动的分子，基因在何时、以何种方式表达，决定了细胞的功能——也决定了脑细胞与肌细胞、癌细胞与健康细胞之间的差异。

2000年，两个研究团队发表了全新的基因“电路”设计，能够通过一个基因编码的蛋白质，调控另一个基因的表达。其中一套基因电路中，精心设计的基因开关能够随时间相互交替开启与关闭。与演化在叶片和眼睛中编程实现的、高度协同的基因表达相比，这种被称为**阻遏振荡子（repressilator）** 的基因电路，只能算是小儿科。但正如阻遏振荡子的一位创造者所言，或许是借用了理查德·道金斯“演化是盲眼钟表匠”的隐喻，“在这个阶段，组装一个简单、甚至不那么精准的摆钟，比拆解最精密的瑞士钟表，能让我们学到更多东西。”

第三个组成部分则更偏向应用：**代谢工程**。生命利用被称为酶的蛋白质催化生化反应，合成自身所需的所有分子，每一步合成反应都由特定的酶催化。有时，这类代谢途径的终产物，正是人类所需的物质，比如激素、抗生素或杀虫剂。

DNA从头合成技术的出现，让代谢工程师能够将来自不同物种的基因组合在一起，构建全新的代谢途径。这意味着，人类有望以比从植物中提取更低的成本，合成传统化学方法无法制备的分子。其中最具代表性的项目，由加州大学伯克利分校的杰伊·基斯林教授主导：他带领团队构建了一条代谢途径，合成了青蒿素的前体分子。青蒿素是从中药黄花蒿中提取的分子，被证实是治疗疟疾的特效药物，在此之前，没有其他方法能够人工合成这种分子。

不可思议的全新图景

21世纪初，随着DNA合成技术的普及，这些能够为生物体工程化改造赋予全新能力的技术路径，逐渐融合。到2002年，MIT的工程专业本科生已经能利用网购的基因，对细菌进行工程改造。2003年，基斯林博士与同事创立了阿米瑞斯公司（Amyris），目标是规模化生产青蒿素及其他高价值分子。次年，首届合成生物学国际会议在MIT召开，几个月后，第一届iGEM全球总决赛成功举办。

媒体很快捕捉到了这股热潮。不仅因为合成生物学看起来具备制造生物武器的潜力，更因为“科学家扮演上帝”永远是吸引眼球的题材——即便此时他们的创造物大多还只是微生物。科学界很少有哪个领域，能散发出如此浓烈的“造物主般”的气息，裹挟着《弗兰肯斯坦》与《浮士德》式的禁忌色彩，也引发了如此多的伦理困境。MIT团队中极具个人魅力的年轻领袖德鲁·恩迪，提出要“以人类选择的方式，重新实现生命的设计”，挣脱演化的束缚。哈佛大学的乔治·丘奇则提出，不仅要合成基因，更要从头合成完整的基因组，甚至包括那些已经灭绝的生物的基因组——猛犸象或许能重返地球。

在这些革命性的讨论中，该领域的初创企业做出了一个命运攸关的决定：大举进军生物燃料领域。这看起来是一项崇高的事业：生物燃料既能推动全新的生命技术落地，又能弥补传统工业机械造成的环境破坏，各国政府也乐于为此提供补贴。但事实证明，将实验室里以克级制备的烃类代谢途径，放大到数百万升的工业化规模，难度远超预期。资本投入极为巨大，更糟糕的是，国际油价大幅下跌，这些项目最终全部失败。

这次失败让投资者对合成生物学变得极为谨慎。但该领域依然获得了英国、新加坡等国政府的部分支持。在美国，五角大楼的前沿研究部门——国防高级研究计划局（DARPA），从早期就对该领域保持关注，并在2013年成立了全新的生物学办公室。两年后，该机构启动了一项计划，资助该领域的顶尖实验室，构建能够合成1000种此前从未通过生物方式制备的分子的代谢途径。

2019年1月，第1000种目标分子成功合成。这看起来是一个吉兆。在过去几年里，合成生物学已经展现出兑现其承诺的迹象。这一方面源于持续的学术研究与技术积累，另一方面则是因为该领域的初创企业逐渐找到了发展方向。除此之外，还有几个关键因素在发挥作用。

第一个因素，是全新的基因编辑技术——能够逐个碱基精准修改现有DNA序列的技术。2000年时，这类技术还完全不存在；而如今，已经有了一整套基因编辑工具，其中基于**CRISPR**系统的技术，被证实功能极其强大、且操作极为简便（马尔堡大学iGEM获奖项目的核心，正是这项技术）。它为基因组精准编辑——也就是合成生物学的核心目标，注入了全新的活力，不仅为生物学研究开辟了新领域，也打开了投资者的钱包（见图表）。

CRISPR的出现，无人能够预见。而DNA合成成本的持续下降，尽管早已被广泛预测，却依然成为了技术发展的核心驱动力。如今，定制合成一个基因的价格，仅为2000年的千分之一；如果批量采购，或是企业拥有自研的合成技术，成本还能更低。

第三个因素，是**机器学习**。近年来模式识别程序的能力飞速提升，合成生物学从中获得的收益，远超绝大多数行业。这不仅是因为实验室能产生海量数据用于模型训练，更在于2005年德鲁·恩迪在一篇论文中提到的：“自然生物系统的设计，并未经过演化的优化以适配人类的理解。”这对人类解读数据、提出科学问题造成了极大阻碍。但对于机器而言，“理解”既无必要，也不可能。它们只需找到数据中的规律，提炼出底层规则。这并非科学家所理解的“科学”，但只要经过严格验证，这些规则依然能成为工程化改造的基础。早在万有引力理论诞生之前，人类就已经掌握了建造桥梁的成熟规则。

在合成生物学能力不断提升的同时，另外两种传统的“生命改良”路径，前景却日渐黯淡。其一，是制药行业，它似乎被**伊鲁姆定律（Eroom's Law，即反向摩尔定律）** 牢牢束缚：每10亿美元研发投入带来的新药获批数量，正持续无情地下滑。1970年，10亿美元研发投入能带来10种新药；如今，这一数字已远低于1种，且仍在持续下降。

这让人们对全新的医药研发路径产生了浓厚兴趣。其中一条路径，就是对细胞进行重编程，使其发挥治疗作用。免疫系统细胞是最显而易见的改造对象，而皮肤与肠道中相互关联的细菌生态系统——微生物组的细胞，则是另一个极具潜力的方向。

从未涉足的璀璨领域

另一个日渐式微的“生命改良”领域，是石油化工行业。合成生物学早年进军生物燃料领域，并非方向上的根本错误：化石烃类终究需要被替代。当时的错误，在于急于冲进利润率极低的大宗商品（汽油）市场。如今，一些企业正利用合成生物学，替代同属原油炼化产物、但附加值高得多的分子，比如香精、食品添加剂。另一些企业则在研发环境友好型塑料。随着这些技术的规模化应用不断得到验证，技术能力的提升让其能够向成本更低的大宗商品领域拓展，这些技术有望像拯救世界的寄生蜂一样，从内部瓦解石油化工行业。

合成生物学企业的高管们表示，他们担心的并非资金，而是方向的聚焦与时间成本。每家公司手中极具革命性的项目，都远超其能够推进的数量，且没人能确定这些项目需要多久才能实现商业回报。正如德鲁·恩迪的邮件末尾那句充满哲理的格言：“胜利终将到来，只是时间未定。”

2 重编程生命

要理解生物学，无论是合成生物学还是传统生物学，首先必须理解蛋白质的合成机制。蛋白质承担着从呼吸到繁殖的几乎所有基础生命功能，它们都由20种小分子串联成链，再折叠形成特定的三维结构。为了实现不同功能，氨基酸链折叠形成的结构极其复杂，也极难预测，但这些结构几乎完全由氨基酸的排列顺序决定。

编码特定蛋白质的基因，本质上就是合成该蛋白质所需的、按顺序排列的氨基酸列表。这些信息以DNA的四种碱基——腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）的序列形式，被记录在基因组中，就像计算机里的数据以0和1的字符串存储一样。将DNA序列转化为氨基酸序列的核心程序，就是**遗传密码**。它为DNA四个碱基能组成的64种不同的三碱基“单词”（如ACT、CTG，被称为**密码子**），分别赋予了固定的氨基酸含义。

想象一本密码本，一栏是密码子，另一栏是对应的氨基酸名称。要解码一个基因，只需逐个查找密码子，记录下对应的氨基酸即可。这是一个基于固定规则的简单过程，也就是一套算法。细胞执行的正是这套完全相同的算法，只不过它用的不是密码本，而是能够识别密码子、携带对应氨基酸的**转运RNA（tRNA）**，以及为转运RNA与基因拷贝提供相互作用场所的**核糖体**。核糖体逐个读取基因的密码子，同时逐个氨基酸合成蛋白质的过程，正是基因解码的过程（见图表）。

当生物学以这种方式执行算法时，它看起来和计算机科学别无二致。但必须明确的是，生物学处理信息的方式，与人类完全不同。在人类编写的程序中，逻辑代码与执行代码的硬件是相互分离的。计算机用户可以随意修改程序，完全无需了解运行程序的硬件背后的物理原理与特性。但演化完全不在意这种区分，它所有的信息处理，都只是分子间的相互作用——就像转运RNA通过分子间作用力与密码子结合，就像核糖体的空间结构迫使氨基酸相互连接成链。从核糖体完成的基因到蛋白质的简单翻译，到让受精卵发育成完整人类的、精妙同步的生命交响，生物学的信息与其执行过程，几乎是不可分割的。生命的运行，并非基于软件与硬件的分离，而是“全硬件一体化”的体系。这也是它极难被人类重编程的核心原因。

但这并不妨碍人类对它进行“黑客式改造”。从1978年，第一家生物技术公司基因泰克利用基因工程合成了由51个氨基酸组成的人胰岛素，成为生物技术产业的首个产品；到如今包含上千个氨基酸的人工抗体，生物技术的核心，几乎都是通过将一个物种的基因剪切出来，再直接导入另一个物种的细胞中，让细胞合成其原本不会产生的蛋白质。

这些蛋白质，绝大多数都是自然界中已存在的。自然界中充满了具备实用功能的蛋白质：调节血糖、杀灭害虫、分解衣物上的污渍。将编码这些蛋白质的基因，导入细菌中使其分泌胰岛素，导入农作物中使其获得抗虫性，导入发酵罐中使其生产洗涤剂添加剂，显然是能带来收益的事。但直到不久前，对天然蛋白质的偏好，也是受技术所限的必然结果：从头设计一种蛋白质，曾经是几乎不可能完成的事；让来自不同来源的多套蛋白质协同工作，同样难如登天。

如今，情况已经彻底改变。蛋白质设计与DNA合成技术，让人类能够合成单独或协同发挥自然界中不存在的功能的蛋白质。尽管这些技术仍不完美，但DNA序列的低成本，让研究者能够尝试大量不同的序列变体，筛选出真正能发挥功能的设计。

例如，如今已有多家企业在研发全新的代谢途径：将通过海量基因组测序新发现的酶、研究透彻的经典酶，以及经过大幅工程改造的酶，组合在一起构建全新的合成途径。这是一项极其精密的技艺，不仅需要找到合适的酶，还需要精准调控基因的表达水平，让十几种甚至更多的酶能够协同工作，更需要调整细胞底层的代谢网络，避免新途径的产物扰乱细胞原有的代谢平衡。但只要设计得当，如今几乎所有自然界中存在的小分子，都能通过酵母或细菌在发酵罐中合成。

其中两个极具潜力的方向，是大麻中的大麻素，以及罂粟中合成的鸦片与吗啡衍生物。大麻素的种类极为丰富，有些具有精神活性，有些则没有；有些具备治疗价值，有些则不具备；许多大麻素在部分司法管辖区可合法用于特定用途，而在其他地区则完全非法。基斯林博士与同事在2023年2月发表的研究中，描述了一套完整的大麻素合成途径，一家名为Demetrix的初创企业，将基于这项技术探索其医疗与娱乐应用潜力。而基斯林博士的学生克里斯蒂娜·斯莫尔克，研发了一套包含20种蛋白质的宏大代谢途径，能够合成吗啡及其衍生物，带来了更为深远的影响。斯莫尔克博士创立了Antheia公司，希望利用这项技术，生产成本更低、更易获取的阿片类药物，让全球数千万无法获得镇痛治疗的患者用上药，同时研发成瘾性更低的阿片类药物。

打破遗传密码

与重新合成、优化天然化合物相比，至少在化学层面，更具颠覆性的可能，是创造出能够催化自然界中从未发生过的生化反应的酶。以碳原子与硅原子的成键反应为例：人类化学家已经能熟练完成这一反应，合成的有机硅化合物被广泛应用于电子、制药、建材、隆胸假体等诸多领域。但自然界中从未演化出碳-硅键，因此也没有天然的酶能够催化这一反应。

2016年，加州理工学院的弗朗西斯·阿诺德，弥补了自然界的这一空缺。她利用定向进化技术，创造出了一种能够催化碳-硅成键的酶，为生物学打开了一个全新的化学领域。2018年，她凭借定向进化技术获得了诺贝尔化学奖，如今她正将机器学习与这项技术结合，以弥补“盲眼钟表匠”的视野局限。她认为，理论上合成生物学能够创造出酶，催化如今化学家只能通过稀有催化剂、高温高压、或是污染环境的有机溶剂才能完成的绝大多数反应。

除了合成全新的蛋白质，人类也能设计全新的RNA分子，CRISPR基因编辑技术正是基于这一原理。人工设计的RNA分子，能够通过分子间作用力精准结合基因组中的特定序列，其伴侣蛋白则会在被标记的DNA位点进行切割。DNA断裂后，就可以将全新的基因或基因片段插入这个缺口。如果将编码CRISPR RNA及其伴侣蛋白的基因，以特定条件下才会表达的方式导入细胞，就能得到一个基因组可被远程遥控重编程的细胞。

如果从头编写一个生物体的基因组，还能通过多种方式，让它更易于被工程改造。全球10个实验室组成的联合团队，目前正在从头重写**酿酒酵母**的完整基因组，目标是让它成为比现在更优秀的遗传学研究模式生物。为此，研究者们正在精准拼接6000多个基因的最优版本，以及基因间大量有时至关重要的调控序列，总计超过1200万个DNA碱基对。该项目还在基因组中写入了一套系统，能够在接收到指令后，让基因组自行切割、重排基因。伦敦帝国理工学院的汤姆·埃利斯表示，这项技术将为演化研究提供一套强大的全新工具。

这套被称为**酿酒酵母2.0（Sc2.0）** 的基因组，与天然酿酒酵母更深层的区别，在于它使用了一套略有不同的遗传密码。DNA的64个密码子中，有3个不编码氨基酸，而是编码终止指令，具体来说，就是告诉核糖体和转运RNA：“这是基因的终点，不要再添加氨基酸了，这个蛋白质的合成到此结束。”这三个终止密码子分别是TAG、TAA和TGA。但在经过工程改造的酵母中，只使用了其中两个终止密码子：天然酵母基因组中所有用TAG编码的终止位点，都被替换成了TAA或TGA。这意味着，在Sc2.0中，TAG密码子不再有任何含义——因此人类可以为它赋予全新的含义。

自然界的蛋白质只使用20种氨基酸，但还有数百种氨基酸可供使用，其中一些能赋予蛋白质全新的、有趣的特性。在Sc2.0中，人类可以设计全新的转运RNA，让它识别TAG密码子，同时设计对应的酶，将非天然氨基酸连接到这个转运RNA上，从而让TAG密码子编码这种全新的氨基酸。具备这套系统的细胞，将能够使用天然细胞从未用过的氨基酸。

而这个过程，远不止于此。遗传密码用61个密码子，仅编码20种氨基酸，有时同一种氨基酸对应多达6个同义密码子。在编写基因组时，剔除特定的同义密码子，就像写一篇短文刻意避开字母“e”一样，最终的文本看起来或许有些不自然，但完全可以实现。通过减少同义密码子重写遗传密码，就能空出更多的密码子，用于编码非天然氨基酸。其中一个潜在的医疗应用，就是研发细菌防御系统无法应对的药物。细菌的耐药机制，是针对天然蛋白质演化而来的；如果蛋白质中加入了细菌从未见过的氨基酸，许多耐药机制就会彻底失效。

定制化的遗传密码，除了能扩大氨基酸“词汇量”，还有其他极具吸引力的优势。如今的遗传密码具有通用性，这也是病毒能够劫持被感染的细胞，利用细胞的系统翻译自身基因、合成病毒蛋白的原因。而使用一套不同遗传密码的基因组，将对病毒攻击完全免疫——因为病毒的基因，无法再编码出其复制所需的蛋白质。因此，密码子重编能够让细胞对所有病毒感染免疫，目前已经有研究在细菌中验证了这一思路。

如果这项技术成功，将为现有的生物技术产业带来极大的帮助。发酵罐再也不会因噬菌体污染而全军覆没，生产抗体的细胞系也不会再携带潜在的病毒，这无疑是巨大的行业利好。我们甚至可以想象，对密码子编码氨基酸的规则进行彻底的改造，让合成生物学的部分产物，成为一个独立的、与天然生物圈平行的全新生命体系。它们既不会感染其他生物，也不会被其他生物感染，与现有生命体系的唯一关联，就是人类的设计意图。

2023年1月，美国佛罗里达州应用分子进化基金会的斯蒂芬·本纳及其同事，在《科学》期刊上发表的一篇论文，已经让我们窥见了这种全新生命形态的冰山一角。他们创造了一种双螺旋DNA，在天然DNA的A、T、C、G四种碱基之外，新增了Z、P、S、B四种碱基。这种**八字母DNA（hachimoji DNA）**，拥有比演化40亿年来所用的天然DNA高得多的信息存储密度。例如，只要重新设计核糖体、转运RNA等一系列配套系统，利用这八种碱基，就可以用双碱基而非三碱基作为密码子，重写整个基因组。

有人会真的去做这件事吗？现有遗传密码的潜力已经极为巨大，理论上它能编码的蛋白质种类，人类至今只探索了冰山一角，看起来似乎没有必要做这种炫技式的改造。但与此同时，工程师们天生就热衷于改造与创新。

3 一场工业革命

在阿米瑞斯公司这家合成生物学先驱企业冲击生物燃料市场时，扎克·瑟伯正是该公司的员工。亲眼见证了顶尖的代谢工程技术未能实现商业成功后，他与联合创始人在加州埃默里维尔创立了齐默根公司（Zymergen），选择了一条完全不同的发展道路。他们不生产、不销售终端产品，而是将合成生物学技术作为服务，帮助已经在使用生物技术的企业提升盈利能力。这也是目前多家头部合成生物学企业采用的商业模式，其核心，是实验的全流程自动化。

生物技术产业的规模，比许多人想象的要大得多。投资公司生物经济资本的罗布·卡尔森计算得出，2017年，美国GDP中约2%来自基因工程改造的生物体创造的产值。这一贡献来自三大产业：公众最熟悉的制药与农作物，分别贡献了1370亿美元和1040亿美元；而第三个领域——工业生物技术，公众认知度更低，但产值更高，达到了1470亿美元甚至更多（见图表）。各类化工产品——塑料原料、食品添加剂、部分香精与生物燃料，早已通过发酵罐中经过基因改造的微生物，实现了规模化生产。

这个市场不仅是规模最大的生物技术市场，也是最适合“创新即服务”模式企业的赛道。药物与转基因作物的测试，是一个漫长且成本极高的过程，而用性能更优的工业酵母菌株替换原有菌株，一周内就能完成。工业客户通常清楚自己的核心需求，而合成生物学能为其带来巨大的价值提升。伦敦合成生物学软件公司Synthace的首席执行官蒂姆·费尔表示，在一个项目中，该公司通过基因工程改造，仅用四周就将细菌的目标产物生产效率提升了200倍（具体产物未公开）。

瑟伯博士表示，齐默根公司约75%的业务，是帮助企业对其正在使用的工业微生物进行重新工程化改造，以提升产量、降低成本，或是两者兼顾。公司的核心是机器学习程序，能够提出基因组改造方案，优化菌株与培养环境（温度、营养配比等），实现生产性能的提升。在这套高度依赖实证的流程中，齐默根公司对DNA进行各类微调，其中绝大多数是针对基因表达的调控序列。瑟伯博士称，这些基因改造，已经帮助其“分子技术”的客户，在数十万吨级的产品生产中，实现了利润率的显著提升。

总部位于西雅图因特贝区的阿泽达公司（Arzeda），采用了相似的商业模式与核心技术。但与齐默根公司聚焦于基于实证的产能优化不同，阿泽达公司的机器学习系统与科学家，核心优势在于利用蛋白质折叠结构决定其功能的理论认知，优化蛋白质的性能，或是让其具备全新的功能。该公司将自己定位为“蛋白质设计公司”。

而脱胎于iGEM大赛、位于波士顿的银杏生物工作室，则是B2B模式的另一种变体。尽管它也开展基因组机器学习与蛋白质设计相关工作，但其核心并非聚焦于这两个细分领域，而是致力于构建更全面的微生物改造技术能力，自称“生命体公司”。

生产方式的变革

三家公司的技术路径细节各有不同，但整体发展逻辑高度一致。它们都将当前的B2B模式视为跳板，在打磨技术、训练机器学习模型、实现现金流稳定的同时，研发自有产品。阿泽达公司正在研发郁金香素，这种物质能大幅提升有机玻璃的性能，但其天然含量极低，从郁金香中提取完全不具备商业可行性，而阿泽达的蛋白质合成技术，让规模化生产成为可能。银杏生物工作室则与客户合作，在特定领域成立合资公司：2018年，它与化工巨头拜耳合作成立了一家企业，研发能在植物根系内合成肥料的微生物；此外，它还有一家聚焦大麻领域的合资公司，近期又宣布成立第三家合资企业，研发用于素食食品（包括人造肉）的植物蛋白。齐默根公司则在布局电子材料领域。

它们的另一个共同点，是对高通量实验的极致追求。对海量合成DNA的应用，正在催生一种全新的、工业化规模的生物学研究模式。

银杏生物工作室的首席执行官杰森·凯利表示，21世纪初，他在MIT德鲁·恩迪的实验室工作的五年里，累计向商业公司订购了约5万个碱基的合成DNA，在当时已经是极为奢侈的用量。而如今，银杏生物工作室的合成DNA订购量，是这个数字的5万倍，每天都会用这些DNA对数千个生物体的基因组进行改造。2017年，该公司收购了DNA合成企业Gen9，将全部产能纳入自有体系，却依然无法满足需求，还与全球最大的DNA合成公司Twist生物科学签订了未来数年采购10亿个碱基对的合同。

阿泽达公司的规模更小，但其首席执行官亚历山大·赞盖利尼表示，公司每周仍会订购约1万个全新的DNA序列，每个序列都会被导入特定的微生物中，以验证其计算机模型中“序列变化如何改变蛋白质功能”的预测是否准确。通常情况下，这些DNA序列在快递送达之前，甚至从未被人类研究者人工查看过。

面对如此海量的DNA输入，必须依靠计算机来设计和管理实验。银杏生物工作室花费了数年时间，编写程序监督实验流程、用机器人执行实验操作，同时不断修复程序中无数的漏洞。凯利博士表示，十年里，公司的设计师使用这套半自动化的“铸造厂”开展实验，效率远不如自己手动操作。但强制使用自动化系统，也倒逼团队不断对其进行优化。他说，大约两年前，银杏的自动化铸造厂，在单位人时的产出效率上，已经追平了资深研究员；如今，其效率已经达到了人工的10倍，且优势还在持续扩大。

自动化不仅提升了科研的规模，也提升了实验的复杂度。绝大多数生物学实验，都在96孔板（即微型试管）中开展。人类设计的实验通常较为简单：对一组孔做A处理，另一组做B处理，以此类推。而计算机能够设计出复杂度高得多的实验策略，选择更广泛的假设进行验证，在一块孔板中同时测试更多的假说。对于编程完善的机器人来说，再复杂的实验方案，执行起来都轻而易举。Synthace公司的首席科学官马库斯·格舍特表示，软件与自动化为实验设计带来的提升，与速度和通量的提升同等重要。

机器学习在这些实验室中的应用，意味着它们对数据有着极大的需求。绝大多数生物学实验室都不会配备质谱仪——这种分析工具能够快速对样本中的分子进行逐一分离和全面表征。它们价格昂贵，产生的数据量远超大多数实验室的需求。但合成生物学企业，却对质谱仪极为青睐。

更多的数据，能让计算机更清晰地掌握生物体系的运行规律，也能及时发现问题所在。绝大多数实验室的生物学家，都有一种共识：他们研究的生命材料，并不完全可靠。他们常说，生物学和物理学不同，充满了不确定性，实验中的“噪声”往往会淹没想要观察的信号，只要实验能稳定重复出结果，就已经足够了。这在一定程度上是事实，但我们很难不认为，这种不确定性更多来自研究者本身，而非生物学体系。否则，该如何解释大量已发表的研究结果，在其他实验室无法重复的现象？

这一问题，不仅源于人为失误，也源于人类的认知局限。实验室中发生的许多细节，研究者并未注意到，但实验对象的生物体却会受到影响。一个系统收集的数据越多，就越能发现实验过程中真实发生的细节，这无疑会提升实验结果的可重复性。

工业化也在其他方面推动着技术进步。在有预算的实验室中，一款名为Echo 655的仪器备受欢迎。它和移液系统一样，能够将液滴从一组孔板转移到另一组，但它通过高度聚焦的超声波产生液滴，而非传统的负压抽吸。这让它能够转移体积小得多的液滴，精度更高，且不会产生接触式污染。更小的孔板（一块板上最多可容纳1536个孔），意味着更高的实验通量，更低的试剂消耗。而这种微型化、精准化的极致，是初创企业伯克利之光开发的系统：每个孔中仅容纳单个细胞，完全通过激光束进行操控。

这种全新的自动化技术能力极为强大，甚至让Synthace公司放弃了最初的生命体改造业务，转型为软件即服务提供商。该公司开发了名为Antha的计算环境，研究者只需用相对高层级的语言描述实验目标，系统就会自动为客户的仪器优化实验设计，并向仪器下达操作指令。

另一家名为Transcriptic的初创企业，则想要走得更远，运营“云端实验室”：全球任何地方的研究者，只需在终端前下达指令，就能在完全看不到的自动化设施中完成一系列实验。凯利博士认为，至少对于银杏生物工作室的业务模式而言，这种彻底的云端化时机尚未成熟——设计生命体的团队，与制造生命体的铸造厂，必须在同一屋檐下紧密协作。但显而易见的是，自动化的浪潮远未到顶峰。

从核糖体的持续翻译过程开始，生命本身就蕴含着机械性的特质。在银杏这样的自动化铸造厂里，你很难不产生这样的感觉：这种机械性的模型，正从承载它的细胞中，走出到那些人员稀疏、用于研究、操控和重新设计细胞的系统中。细胞的分子机器与实验室的自动化设备之间，形成了一种不可思议的反馈循环，而两者之间的鸿沟，正在被不断消弭。

4 全新造物

地球上的生命，大约使用着500万种不同的蛋白质。我们至今仍未完全弄清每一种蛋白质的功能。即便是最简单的细菌，也存在一些功能未知的蛋白质——但细菌显然认为它们至关重要，因为一旦敲除这些蛋白的编码基因，细菌就会死亡。

尽管许多细节依然模糊，但天然蛋白质所能实现的全部功能，我们早已了然于心：那就是整个鲜活的生命世界。从蒲公英的种子到珊瑚礁，从水母到人类大脑，生命所具备的一切化学与物理层面的精妙设计，都源于蛋白质的功能。

蛋白质构成了木材与叶片、血肉与骨骼的基础材料。在齐默根公司几个街区之外，一家名为Bolt Threads的初创企业，正在为服装行业及其旗下的服装子公司，供应蜘蛛丝蛋白制成的纤维，以及真菌菌丝体制成的皮革。这些材料不仅能被设计出全新的物理特性，理论上成本也更低，同时还能满足那些不愿为了服饰煮杀蚕蛹、屠宰牲畜的消费者的需求。设计师斯特拉·麦卡特尼正与该公司合作，将这些材料打造成纯素时尚单品。

许多企业正在研发能够模拟肉类口感与风味的产品。位于旧金山湾对岸雷德伍德城的Impossible Foods公司，依靠工程改造的微生物，规模化生产豆血红蛋白——这种蛋白天然存在于部分植物的根系中，让其完全植物基的“不可能汉堡”，拥有了不带血却逼真的肉汁感。包括银杏生物工作室在内的其他企业，也在研发同类产品。理论上，无需畜禽养殖的人造肉，是一项极具气候友好性的技术。但对于那些重视环保、却不信任基因工程的消费者而言，这项技术或许会引发担忧。

一些投资者也对此抱有顾虑。风投机构安德森·霍洛维茨基金生物工程基金的负责人维贾伊·潘德表示，他在一些植物基食品企业身上，看到了当年合成生物学早期蜂拥进入生物燃料领域的影子。他说，他听到一些企业创始人，本质上只是在做碎牛肉这种低价、竞争激烈的产品，想要盈利就必须卖出巨量的汉堡。不过，至少有一家企业正在研发人造鹅肝，既能减少鹅的养殖痛苦，又能以奢侈品价格销售。

既然我们已经能用蛋白质制造食品与面料，而自然界现存的500万种蛋白质中，还有绝大多数未被探索，或许很难理解，人类为何还需要创造全新的蛋白质。但这背后，有着极为广阔的探索空间。以所有由66个氨基酸组成的蛋白质为例：氨基酸链的每个位置，都有20种氨基酸可供选择，因此理论上，这类蛋白质共有20^66种可能的结构。这个数字，大约与可观测宇宙中的亚原子粒子总数相当。而66个氨基酸的蛋白质，在生物学中还只是极小的分子。

华盛顿大学的戴维·贝克，正是朝着这片自然界从未涉足的、宇宙级广阔的蛋白质海洋进发的人。21世纪初，贝克博士已经是“基于氨基酸序列预测天然蛋白质三维结构”领域的全球领军者。这是一个难度极高的问题：氨基酸链的折叠，受到极其微妙的化学力调控，而这些力会对蛋白结构产生极大的影响。但贝克实验室在该领域取得了极高的成就，甚至孵化出了蛋白质设计公司阿泽达。五年前，贝克博士决定，是时候用积累的知识，去设计自然界从未出现过的、完全由人类定制结构的全新蛋白质了。

这些全新的蛋白结构，有着诸多潜在用途。例如，设计能够诱导特定晶体晶格生长的蛋白质。一些寄生在植物上的细菌，演化出了一种蛋白质，其形成的晶格与冰晶结构高度相似，能够作为冰核促进霜冻形成（如今的滑雪场，正是利用这种蛋白质人工造雪）。而设计出能够诱导其他晶体生长的蛋白质，有望帮助我们制造比霜冻更有价值的材料，比如计算机所用的半导体原子晶格。另一个用途，是制造分子马达。贝克实验室的亚历克西·库尔贝，已经设计出了能够在轴上旋转的蛋白轮。这类微型机械装置，已经拥有了成熟的市场：每年，用于手机运动传感器、汽车零部件、光电路开关的微机电系统，市场规模达到200亿美元。基于蛋白质的机械装置，有望实现高得多的复杂度，尽管这一天或许不会很快到来。

而贝克实验室近期最令人震撼的设计，来自陈子博团队创造的一系列蛋白质。这些蛋白质和DNA双螺旋一样，能够通过分子间的氢键（也就是DNA和RNA中发挥作用的“分子魔术贴”）相互结合。但也和DNA一样，只有两个分子的结合位点完全互补时，它们才会稳定结合。在DNA中，互补性由碱基序列决定；而在这些蛋白质中，互补性则由陈子博为其设计的三维结构决定。他已经创造出了64种蛋白质，每一种都只能与唯一的对应蛋白结合，形成32对精准互补的组合。

这类设计，可用于实现蛋白质功能的条件性调控——例如，设计一种蛋白质，只有当额外的模块通过“分子魔术贴”结合到它上面时，才能发挥正常功能。这种条件性调控，为细胞重编程提供了一条全新的路径：无需依赖自然界的调控机制，而是像人类设计软硬件一样，实现清晰、确定的功能控制。而重编程细胞，已经在癌症治疗中展现出了巨大的价值。

近年来癌症治疗领域最具突破性的进展，是对免疫系统的T细胞进行工程化改造。T细胞在全身循环，寻找其他细胞表面它们不识别的异常蛋白。**CAR-T疗法**的核心，是编码嵌合抗原受体（CAR）的基因，这种蛋白会表达在细胞表面。我们可以定制设计这个基因，让其编码的蛋白识别患者癌细胞特有的蛋白。医生从患者体内分离出T细胞，导入靶向癌细胞的CAR基因，再将改造后的T细胞回输患者体内。当CAR蛋白识别到癌细胞的特征蛋白时，就会指令T细胞杀死癌细胞。

CAR-T疗法发展过程中，一直困扰研究者的问题之一，是CAR对癌细胞的识别并非绝对精准，这会导致T细胞攻击正常的旁邻细胞，在部分患者身上引发严重的、甚至致命的副作用。而加州大学旧金山分校的温德尔·林姆及其同事开发的一套系统，正是为了解决这个问题。他们利用一种名为Notch的合成蛋白，提升了CAR-T细胞的识别可靠性。和CAR一样，这种合成Notch蛋白在识别到细胞外的特定蛋白时，会向细胞内传递信号。

林姆博士的团队构建了一套简单的双基因电路（见图表）：一个基因让细胞合成合成Notch蛋白，识别癌细胞表面的一种特定分子；另一个基因合成CAR蛋白，识别癌细胞的第二种特征分子。但CAR基因只有在被开启时才会合成蛋白，而开启它的信号，正是来自Notch蛋白。这意味着，只有当细胞同时识别到两种癌细胞特征分子时，才会启动程序化的杀伤程序：第一个分子激活Notch通路，进而表达识别第二个分子的CAR。电子工程师会立刻认出，这是一个**与门电路**：只有两个输入同时存在时，才会产生输出。

让这套看似简单的系统在细胞中稳定运行，难度极大。但一旦成功，其价值显而易见。2017年底，吉利德制药公司以5.67亿美元的价格，收购了林姆博士两年前为研发该技术创立的细胞设计实验室公司（Cell Design Labs），这一价格是该公司累计融资额的16倍以上。

如今，林姆博士正在研究复杂度略高的基因电路，例如需要三个信号同时激活的电路（电路术语中，两个串联的与门），或是需要一个主信号，加上另外两个信号中的任意一个、但不能同时存在的电路（一个与门加一个或门）。即便是非常简单的电路，也能让细胞成为更精准的治疗工具。癌症并非唯一的应用场景：免疫系统疾病，也有望通过取出患者细胞、体外重编程后回输的方式治疗。利用干细胞（能够分化为多种不同类型细胞的细胞）修复受损组织器官的“再生疗法”，也能通过基因编程，精准控制细胞在何时、何处发挥修复功能。

加州理工学院的迈克尔·埃洛维茨，正是合成生物学首个人工基因电路之一“阻遏振荡子”的发明者之一。他设想了一套更具颠覆性、无需依赖T细胞的系统：想象一下，将一套小型基因电路的短期基因拷贝，送入体内的每一个细胞中。其中一个基因编码的蛋白，对细胞具有致死性；第二个蛋白能够通过分子间作用力，与致死蛋白结合（或许可以利用陈子博设计的高特异性氢键结合系统），在正常情况下抑制致死蛋白的毒性。但在特定条件下——例如，细胞正在合成癌细胞特有的蛋白——这种结合就会失效，致死蛋白被激活，杀死癌变细胞。

如此简单的电路，无疑存在极高的风险，就像一把对准了体内每一个细胞的枪。但我们可以添加多重安全保障，让致死效应依赖于多个条件的同时满足，就像Notch系统为CAR-T疗法增加了一层额外的安全控制。埃洛维茨博士认为，基于这类系统，有望诞生一个全新的医药领域：它的治疗方式，不再是能扩散到全身的小分子药物，也不是靶向特定细胞的抗体这类更复杂的蛋白，而是让细胞本身成为药物，甚至成为体内的“外科医生”。

理论上，合成生物学开发的全新分子，能够应用于人类使用天然产物的所有领域：食品、面料、医药、娱乐，甚至如果应用于木材或珊瑚，还能用于建造居所。但正如库尔贝博士的纳米马达所展示的，它们能实现的功能远不止于此。其中最令人惊叹的潜力之一，是解决全球数据爆炸的难题。

如今，全球每天产生的数据量达到数十艾字节（1艾字节=10亿吉字节），未来还会进一步激增。有估算显示，一辆无人驾驶汽车每天可能产生4000吉字节的数据。这些数据可用于机器学习，或是事故后的司法取证。

但数据存储成了难题。用目前最高密度的存储介质，存储全球一天产生的数据，需要的昂贵磁带足以铺满数十个篮球场。而换一种方式，所有这些万亿级的0和1，只需20克DNA就能全部存储。一个世纪里产生的所有数据，只需一个仓库就能容纳，且能在数千年内基本不发生损坏。没有任何其他存储系统能与之媲美，更不用说加入八字母DNA后，存储密度还能进一步提升。

全部存储在一张“光盘”中

去年，生物经济资本的卡尔森博士与微软合作开展了一个项目，证实了可以用类似内存芯片的编码方案，将数据写入DNA并从中读取。其他研究者提出，甚至可以在DNA存储状态下，对数据进行一些简单的处理。

卡尔森博士指出，目前的问题在于，DNA合成的成本，对于数据存储而言，依然高出了100万倍。但成本高出100万倍，早已不再是过去那样不可逾越的障碍。1995年到2015年，DNA测序的成本下降了不止100万倍；如今测序成本已经低到，在人类基因组草图首次发布20年后的2020年，圣地亚哥的克雷格·文特尔研究所，已经在讨论完成100万个人类基因组测序。而大型科技企业向来擅长让技术实现指数级的性能提升，只要物理上可行，它们就能长期遵循摩尔定律发展。因此，Twist这家头部DNA合成公司的第二大客户，正是微软，仅次于签下10亿碱基合同的银杏生物工作室，这并非巧合。

5 解放生物学

那些热衷于对未来发表宏大论断的人，常常宣称21世纪是生物学的世纪，正如20世纪是物理学的世纪，19世纪是化学的世纪。合成生物学的巨大潜力，为这种乐观论调提供了基础：重编程后的生命，能够生产有用的全新产品，呈现全新的形态，以有益的方式发挥作用。

要兑现这个承诺，绝非易事。理解生物学处理信息、进而调控自身的能力，是一个比掌握软硬件分离的数字世界难得多的谜题。耗费数年时间，才创造出一个能正常工作的与门电路，在治疗领域已经极具前景，但距离像程序员控制计算机一样掌控生命，还有万里之遥。

尽管如此，我们不能因为合成生物学重现了计算机革命的早期特征，就忽视了两者之间的关键差异。其中一点是，当年创造现代计算机世界的先驱们，并没有强大的计算机辅助他们的工作，而如今的合成生物学家有。他们的工作，建立在计算机革命的基础之上，也脱胎于计算机革命，这会极大地加速技术的发展。加州理工学院的弗朗西斯·阿诺德，将生命的编程比作演化谱写的交响乐，而如今的设计生物学，大概还处在“学习握住作曲家铅笔”的阶段。这也是她更倾向于利用演化来改造生命，而非从头设计的原因。但这是一种由机器学习引导、由人类创造力定向的演化，谱写的是人类想要的乐章。

人类早已做过类似的想象。20世纪初，被全新遗传学力量所震撼的科学家与作家，描绘出了一个个“生物乌托邦”，与如今合成生物学的愿景惊人地相似。在H.G.威尔斯的《像神一样的人》（1923年）中，植物“经过培育与改造，能够合成全新的、前所未有的分泌物、蜡质、树胶、精油等，品质极为优异”——这句话，几乎可以作为本文中半数合成生物学企业华丽的使命宣言。在夏洛特·珀金斯·吉尔曼的《她的国》（1915年）中，一个孤雌生殖的女性种族，通过科学打造了一个物产丰饶的伊甸园，满足了自身的所有需求。

正如历史学家吉姆·恩德斯比所指出的，这些生物乌托邦中的一些内容，会让现代读者感到震惊。其中一点是，书中的居民不仅改造环境，也改造自身，而这在威尔斯这样的优生学家看来，是完全无可厚非的。奥尔德斯·赫胥黎正是在自己的反乌托邦经典《美丽新世界》（1932年）中，对这种“将人视为手段而非目的”的理念，进行了强烈的反抗。而如今，CRISPR技术让优生学相关的讨论再次成为焦点，合成生物学无疑也会卷入其中。

这些早期生物乌托邦中，另一些如今看来格格不入的观念，也为当下的争论提供了参照。威尔斯与吉尔曼认为，故意灭绝一个物种毫无问题，是施加有益秩序的合理、甚至自然的行为。如今，人类正在真实地讨论这种可能性，心态却远没有那么平静。**基因驱动**——一种看似矛盾的、通过有性生殖传播不育性状的基因系统，让CRISPR技术有望用于消灭疟疾传播媒介等病媒生物，比如特定种类的蚊子。

一些人看到疟疾每年造成数十万人死亡，认为这是一个精妙的解决方案：自然界中还有大量不传播疟疾的蚊子种类，能够填补生态位的空缺。另一些人则提出质疑：人类有什么权利让一个物种灭绝？这会给其他不可或缺的昆虫带来怎样的风险？又该如何获得充分的知情同意？在这些讨论的引导下，由比尔及梅琳达·盖茨基金会等机构资助的基因驱动研究，正越来越明智地聚焦于通过局部、暂时性的蚊子种群崩溃，阻断疾病传播链，而非永久性的全球物种灭绝。威尔斯的生物乌托邦中，昆虫数量锐减到再也无法喂养夏日的燕子，而如今的合成生物学家，谈论的是通过减少农药使用来解决这个问题，而非主动通过工程改造造成这种后果。

大海雀的重生

如今的生物乌托邦构建者，不仅厌恶物种灭绝，甚至有人在讨论逆转灭绝——用手中的技术，让旅鸽、大海雀、猛犸象、美洲栗等灭绝的物种重返地球。博物馆或永久冻土中保存的基因组可以被测序，再通过对近缘物种的基因组进行重编程，创造出与灭绝物种相似的生命体。朝着这个方向，银杏生物工作室已经迈出了小小的一步：他们合成了一种已经灭绝的木槿花的香气。

这个想法，同样遭遇了质疑，甚至反感。一些人认为，最终的产物不过是“波将金式的仿造物”——只是保留了灭绝物种的表象，而非恢复其本质。一些环保主义者也认为，这是环保运动长期以来的弊病的荒诞演绎：只关注少数高知名度的物种，却无视其他不那么引人注目的物种正在被大规模毁灭。但国际自然保护联盟近期委托发布的一份报告指出，环保工作确实需要新的工具，合成生物学在这一领域确实存在机遇，同时也伴随着直接与间接的风险，需要逐案评估、采取预防性措施。一些环保主义者，正热切期待着基因驱动技术，能用于消灭海岛上的入侵物种。

如此激进的技术，却被用于保护而非破坏，看起来似乎有些矛盾，甚至有悖常理。但我们应当认识到，合成生物学带来的改变，能够在技术与理念层面，重塑人类与自然世界的关系，同时不会给日常生活带来太多混乱。正如凯利与扎克·韦纳史密斯在《未来即来》一书中所写：合成生物学或许“就像弗兰肯斯坦的故事，只不过怪物整本书都在兢兢业业地制造药物和工业原料”。

2023年2月，在圣地亚哥举办的“人工细胞构建”研讨会上，参会的研究者们感叹，很难向公众传达他们宏大的目标：几乎从零开始，构建基因组与承载基因组的人工细胞。如果你能理解“一个没有祖先的生命体”背后的概念勇气，或是意识到仅仅25年前，讨论这种事情都被视为天方夜谭，就会明白这项工作有多么震撼。如果你无法理解，那么这种人工生命，看起来也不过是又一种生命形式而已。而生命，既是日常的平凡事物，也是永恒的奇迹。细胞，终究只是细胞。

公众的这种认知，或许恰恰抓住了事情的本质。基因技术在人类健康与增强领域的应用，必将引发激烈的争论，如何防止这些技术落入危险之手，也会成为持续的焦点。但人类与自然关系的根本性改变，或许并不会显得那么戏剧化。

想想哥伦布大交换：新旧大陆生态系统的交融，是生物学与人类历史上的重大事件，它摧毁了文明，彻底改变了人类的生活方式。但如今，一个印度人用辣椒烹饪，一个德国人抽着烟草，一个墨西哥人看着自由奔跑的野马，很少会去思考他们正在使用、欣赏的，是来自异域的生物。合成生物学的创新，或许也会以同样的方式，融入世界的背景之中，却不会伴随当年的苦难与牺牲。

但即便是人类与自然关系最温和的转变，也可能给一部分人带来伤害。与自然的互动，往往是最贫困的人群最赖以生存的方式。如果合成生物学用更廉价的人工产品，替代了高价值的天然产物，就会切断人类与自然之间，既有情感意义、又有重要经济价值的联结，在发展中国家尤其如此。

以香草荚为例。香草的核心风味分子，早已实现了化学合成。但香草荚中含有一系列相关分子，带来了更丰富的风味层次，也因此受到消费者的青睐。而如今，合成生物学或许能够复刻、甚至超越自然的精妙风味。因此，斯坦福大学的德鲁·恩迪曾以为，在一场合成生物学的讨论会上，遇到墨西哥香草种植农时，会遭到对方的抗议。但事实恰恰相反，这位种植农对此充满热情。对他而言，香草不仅是生计，更是仪式的载体、慰藉的来源、故事的内核。他认为，只要合理应用，合成生物学不会取代这一切，反而能为其赋能：为珍贵的香气增添全新的层次，为这个被人喜爱的故事，注入新奇的魅力。人与植物之间的联结，会被深化，而非被取代。

我们很容易认为，被重编程的生命，是更低等的生命，天生带着商业化的烙印，失去了神圣性。我们会觉得，当细胞的分子机器与实验室的自动化设备绑定得越来越紧密时，会挤压掉两者之间，那些属于人类、属于自然、或是两者兼有的珍贵东西。但同样有可能的是，在这片空间里，会生长出一种全新的认知，让我们通过全新的理解，拓展与丰富对生命本质、生命可能性的认知。把它想象成一首尚未谱写的乐曲，或是一朵灭绝花朵的香气，被重新想象、再次闻到，仿佛第一次绽放。