演讲者：孟凡康
活动：中国科学院大学 中学生夏令营 国科大iGEM团队宣讲活动
时间& 地点：7-27 中国科学院大学雁栖湖校区

大家晚上好啊~我是孟凡康。首先我想简要的介绍一下自己，我来自中国科学院大学，本科毕业于南开大学伯苓学院，目前正在攻读博士学位，研究的大方向为合成生物学。我曾经在2016年和2017年带领南开和指导国科大的队伍拿到过国际遗传工程机器大赛金奖。平时在忙碌的实验生活之外也在知乎和公众号上写一些科普的文章，提高自己的同时也让更多的人了解到了合成生物学，也是一件十分开心的事情。

刚才提到了国际遗传工程机器大赛，你们别看名字是“工程机器”，但是这个比赛并不是关于机械的，而是关于生物的，这是一个合成生物学领域的国际赛事，可以称为合成生物学的最高等级的“奥林匹克”竞赛了。之所以称为”工程机器“，是源于合成生物学的理念，在合成生物学中我们将生命看成机器。所有的参赛队伍会在将近一年的比赛时间内，利用合成生物学的方法对生物，大多数都是对微生物细菌进行设计或者改造，让生物可以根据我们的设计完成一定的任务。

今年已经是我第四年参加iGEM的比赛了，当然现在我更多的是一个Advisor的身份。这四年的iGEM经历让我认识到了合成生物学的巨大潜力。这是我真正喜欢的研究方向，所以研究生阶段我很坚定选择了合成生物学，毕竟自己喜欢的才有动力。

合成生物学是什么？

今天我的主题是合成生物学的现在与未来。说了这么多，大家可能开始对合成生物学这个词产生了些兴趣？你们可能想知道合成生物学是什么？但是大家先别着急，在我介绍合成生物学之前，我想先让大家看一张画。

左边是一幅静物画，照片中有西瓜等水果。右边是一个个相互相连的蜥蜴，是M.C 埃舍尔的经典画作。看似这是一张普通的作画，似乎质量还不是很好。但是我会告诉你们这不是由人作的画，而是由微小的的细菌作的一幅画。

你们可能会比较好奇，细菌这种生活中无处不在，甚至有时候会造成疾病的微生物怎么会创作一幅画呢？

当然，这不是一种简单的细菌，而是用合成生物学方法设计和改造的细菌，这类细菌可以感受不同波长的光，产生色素。比如，当我们向这些细菌照射470nm的光时，这种细菌可以产生蓝色的色素，而照射其他的光时，这种细菌可以产生绿色的或者红色的色素，这样一来当我们向细菌照射不同波长的光的时候，细菌就可以产生不同的色素，最后可以用来绘制一副精美的画作。

哇，你们可能更加好奇了，为什么这些本来不生成色素的细菌为什么会自己产生色素呢？而且是根据光来产生一幅画作呢？我想说的是，我们能做到这些都是因为我们用合成生物学的方法设计了这个细菌。

在解密合成生物学是如何让细菌作画之前，我想先和大家一起了解一下什么是合成生物学？合成生物学的定义：合成生物学是一门综合学科，意在以传统生物学获得的知识和材料为基础，利用系统生物学的手段对其加以定量的解析，在工程学以及计算机的指导下设计新的生物系统或对原有生物系统进行深度改造。

说实话，这句我都有点不想念了，这种定义似乎有点繁琐或者复杂。我想给大家一个更加通俗的解释。

首先我想让大家看到这张图片，想必很多人已经知道了，这是一张关于引力波的概念图。2017年是一个极其重要的年份，人类在引力波探索发现上取得了重要的成果。而开发引力波探测仪器的几位科学家也获得了诺贝尔奖。引力波的发现我们称为”科学发现”。科学发现在于发现新的事物、机理，是人类探索自然、宇宙的过程。

而这一张图片则来自著名航天公司SpaceX，这是重型猎鹰火箭升空的一刻。SpaceX造出这个火箭将一个叫做Starman的机器人和特斯拉跑车送往了火星。很显然，造火箭的过程不能称为科学发现，我们称其为工程。简单来说，工程的目的是设计新的事物或者改造旧的事物使其更加高效，有用。

合成生物学便是一门工程学科。SpaceX的对象是火箭，对火箭进行设计和改造。那么合成生物学的对象则是生物，如细小的微生物，植物，病毒或者哺乳动物，通过对生物进行设计或者改造，使其能够拥有新的功能或者提高其本来的功能。

那么合成生物学是如何对生物进行工程化设计和改造的呢？让我们来举一个乐高积木的例子。合成生物学对生物学的改造或者设计和乐高积木拼接的过程是一样的。在玩乐高积木时我们怎么做？我们把不同的积木块通过这些预先设计好的接口组装起来，相互连接，按照我们的意愿搭建成新的物体，不同的小物体还可以继续组装成更大的装置。合成生物学也是如此，我们也是在搭积木，当然我们的积木不是这些塑料的积木，而是DNA。

也许大家都对DNA有所了解，DNA是生命的密码，由ACTG四种碱基互补配对组成。每个细胞、组织、我们的身体，几乎所有的生物都是由DNA这段神奇的密码指导产生的。正是由于DNA这种重要的作用，其成为了合成生物学中最重要的积木，我们通过将不同的DNA积木进行组装就可以让生物产生新的功能，甚至组装成一个新的生命来。

同时，在合成生物学中，生物不再是生物，我们将生物看成一台计算机，看成一台超级复杂，高效的机器。其实大家可以想想，其实生物和计算机挺像的。

计算机是怎么建造出来的呢？首先我们要有原材料，然后设计好电子元件，不同的电子元件组装在一起可以进行逻辑处理，然后组成更加复杂的电子线路或者主板，进而再组成更加复杂的机器设备，而生物学也是一样，首先我们有DNA序列这种原材料，不同的DNA序列又可以组成DNA生物元件，不同的生物元件进一步组装成生物装置，比如可以感受光，可以进行细胞通讯的装置。相比于电子线路，在细胞中我们也有更加复杂的基因线路和基因网络，同时这些会组成我们生物体内的细胞、组织、器官和系统，进而成为我们自身。

我们知道计算机的编程语言是0或者1，而生物的编程语言便是ATCG四中碱基。对DNA进行编程，我们就可以实现对生物的设计或者改造。

简单来说，合成生物学到底是干嘛的呢？我们可以这么说，合成生物用DNA乐高积木对生物进行编程，设计或者改造生物，赋予其新的或者增强的生物功能。

让我们回到开头，回到这两幅画，我已经告诉大家这两幅画是通过合成生物学设计的细菌制作而成。那么我们是如何设计的呢？如果搭积木的呢？让我们来看看这张积木的设计图。

大家可能觉得这特别复杂，但是其很简单，你就想象这就是在搭积木。你们看这张图片，主要由三种积木组成。大家思考一下，一个细菌想要根据不同的光来产生色素需要如何操作呢？首先我们一定要有一块积木A可以用来感受光。感受完光还不够，因为我们的细胞内进行的是化学反应，所以还需要有另一个积木B将光信号转变为化学信号，然后我们设计的这个系统还需要将转化得到的化学信号，用于指导色素的产生，所以最终我们还需要一个积木C根据化学信号生成最终不同颜色的色素。这样一解释似乎就简单起来了，大家不必去关注这几个积木是如何组成，因为的确有点复杂。我想让各位去了解的是合成生物学去设计或改造系统时就是按照搭积木的原则来进行的。

而我们搭建好不同的积木后如何操作呢？首先我们需要将这些积木放在一个叫做质粒的载体上，这种质粒是一种环状的DNA分子，然后将质粒载体导入到细菌中。不同的积木发挥作用后，细菌就可以根据不同的波长产生不同的色素了。你们看，我们用不同的细菌画出了不同颜色的马里奥水管工。

说到现在，你们对合成生物学是什么可能有了一个基本的概念，甚至还感觉这玩意还能用来画画，进行艺术创作。你可能想问，合成生物学到底有什么用呢？请听我慢慢道来，合成生物学的用处可大了。

首先，我想向大家介绍一种很特殊很神奇的工厂，这种工厂无人值守，全自动化，可以24小时无间断生产产品，并且这种工厂遇到故障可以自动修复，并且更神奇的是这种工厂可以每隔30分钟就自动复制自己一次，产生一个新的完全一致的工厂，而且这种工长不占地方，可以说是非常非常小，只有500nm。（此部分内容借鉴了李腾师兄在《一席》的演讲内容，并得到李腾师兄本人的许可。在此表示感谢！）

这种工厂便是微生物细胞工厂。为什么称微生物为细胞工厂呢？因为人类正在利用微生物生产很多我们生活中常见的物质。那么细胞工厂正在生产哪些我们生活中使用的物质呢？

举一些例子，我们平时喝的啤酒、酸奶，还有做菜用的味精都是微生物生产的，同时也有医疗上的生物材料、抗生素等等，处处都有微生物的重要作用。

接下来我想举一个例子，来说明合成生物学在设计或者改造细胞工厂中的作用。

我每次看到这两个照片真的触目惊心，对的，这便是我们的白色污染。白色污染的主要原因在于现在化学合成的塑料几乎是不可降解的。理论研究说有些化学合成的塑料在自然环境中需要300年才能得到有效的降解。

要解决这个问题的一条途径便是生产出可以自然降解的塑料。很幸运的是我们已经研究出了这种材料，这种材料叫做聚羟基脂肪酸，简称为PHA，这种可降解的塑料放在自然环境中，在一年之内就可以完全被降解掉。

这样神奇的材料也是可以用微生物生产的，而且生物生产这种物质只需要三个基因，三块积木，仅仅三块积木就可以实现在生物中合成这种可降解的材料。但是有一个问题啊，虽然这种材料我们可以利用细胞工厂合成，但是合成的比较少，也就导致这种材料的价格很高，导致很难推广。所以我们需要提高细胞工厂生产这种物质的能力。这时候合成生物学也就登场了。我们把合成PHA的积木导入到微生物中，然后调节这几块积木的表达强度，使其增加，这样PHA的产量就能增加了。结果也是很明显的。

你们可以看到这是显微镜下的微生物细胞，细胞内的白点便是PHA。通过合成生物学的设计和改造，我们可以发现细胞内的白色成分越来越多，最后几乎细胞内超过90的组成都成了PHA，细胞变成了一个大胖子专门用于生产PHA，PHA的产量增加了好几百倍。瞧，这便是合成生物学对于细胞工厂的重要作用。而一个名叫BluePHA的公司正在利用这种技术实现着细菌产可降解塑料的高效生产。

接下来我们想向大家介绍一个女性，就是图片中的这位，她的名字叫做朱迪·伯金斯。从图片中我们就可以看到，这位女性似乎并不是很健康。的确是的，在这个时候，朱迪已经写下了遗嘱，正在度过人生中的最后几个月时光——因为她的乳腺癌已经到了晚期。

然而就在这生命的最后几个月里，朱迪通过一种神奇的疗法竟然神奇的活了下来，并且完全从晚期乳腺癌这个病魔中挣脱，迎来新的健康的人生。我们可以看到健康后的朱迪已经开始了新的人生。

那么大家可能会好奇了，这种神奇的疗法是什么？大家知道我们平时的癌症疗法有哪些？比如放疗、化疗，对吧？然而朱迪并不是被这些疗法治愈的，她是被我们自身的细胞治愈的！当然这些细胞并不是普通的细胞，是经过我们工程化设计改造的。

大家应该都熟悉最近十分火爆的动漫《工作细胞》吧？想必里面萌萌哒的血小板唤起了很多人内心的萝莉之魂。

学过生物的我们当然知道血小板是不能治病的，那么到底是哪个细胞治愈了朱迪呢？答案就是T细胞，我们来看看《工作细胞》里的T细胞是如何工作的？在没有接触癌细胞之前，初始T细胞显的十分弱小，但是活化之后的T细胞通过中二的变身，就成为了抗击癌细胞的斗士！

而治愈朱迪的疗法就是利用我们体内的免疫T细胞来消除癌症细胞的，这种疗法叫做CAR T免疫疗法。

CAR T免疫疗法的主要过程有哪些呢？首先我们需要把T细胞从病人体内分离出来，然后对从体内分离出来的T细胞进行改造，使其可以表达特异性识别癌症细胞的嵌合抗原受体，也就是CAR。然后我们将改造好的细胞在体外体内进行培养繁殖，最后将改造后的T细胞重新输回病人体内，这样一来，改造后的T细胞就可以专门的针对体内的癌细胞进行清除，杀死癌细胞，治愈癌症了。

具体原理，我们可以用下面这张简单的图来表示，T细胞是我们身体内免疫系统的战士，也就相当于《绝地求生》里的一把顶级98K。但是光一把98K可以不够的，我们还需要八倍镜，而八倍镜就是CAR，一种特异性识别癌细胞的受体。当T细胞CAR细胞组合起来之后，就可以用来对抗癌细胞，组合起来效果可以认为是“枪枪爆头”。

利用合成生物学我们还可以设计更加强大的CAR T系统，今年发表在著名学术期刊《细胞》的一篇文章报道，研究人员设计一种更加高效CAR T系统，叫做：SUPRA CAR。这个就更厉害了，简单来说，就是通过我们的设计，这把消灭的癌细胞的98K神枪变的更神了。之前我们的CAR T系统可能每次只能针对癌细胞一个靶点，有可能“打偏了”或者“打中别人”，甚至那把枪还可能“原地爆炸”伤害到我们自己。但是SUPRA CAR升级了，在一定程度上解决了原有CAR T系统的弊端。SUPRA CAR相当于你同时可以拿着好几把98K，配备各种倍镜，更加精确安全的消灭癌细胞。

最终的效果就是大吉大利，晚上吃“癌细胞”。

吃完这个呢，不对，说完这个故事呢，我来给大家讲下一个故事，大家看这张图片，图片中似乎是一个人在拿着一个胶囊。但我告诉大家，这不是一个普通的胶囊，这个胶囊是合成生物学与电子技术的相互结合的产物。

这是一篇今年发表在《科学》杂志上的文章文章，利用合成生物学和电子技术，这个研究团队设计了一个可以监控家畜肠道情况的一个电子胶囊，其中一个很重要的部分便是由生物组成的模块：其中的大肠杆菌体内加入了可以识别家畜肠道环境的基因线路，通过把这个胶囊放到家畜肠道内，我们就可以利用电脑或者手机远程的监测家畜体内肠道的情况，并得到实时的反馈，通过反馈来对家畜饲料或者生活环境要进行调整。是不是感觉很有意思？

以上这些例子都是关于应用方面，因为合成生物学本身一个很重要的特性就是以应用为导向。但是合成生物学也不全是关于应用的，其中还有一个很重要的部分和我们的基础科学研究也有着很紧密的联系。接下来我就给大家讲一下合成生物学和基础研究的关系，这一部分我们叫做“build to understand”，通过构建来理解。

我们知道美国军方在30年前就已经研制出了B-2幽灵战略轰炸机，至今B-2轰炸机仍是全球最先进的轰炸机机之一。B-2幽灵战略轰炸机也是绝对的国家机密。假如有一天你想研究B-2轰炸机是如何制造出来的，你该怎么研究呢？我想，首先我们应该拆开它，去看看它内部什么构造。这是基础生物学的研究思路，这种研究思路当然非常重要，这为我们了解生命本身做出了极为重要的贡献。但是这远远也是不够的，因为即使我们把B-2轰炸机全身拆了个遍，但是我们还是没有办法制造出B-2轰炸机来。只要我们没有办法造出B-2轰炸机，我们也就不能说我们完全的了解了B-2轰炸机是如何制造出来的。

费曼曾经说过：“What I cannot create, I do not understand”，说的就是这个道理。所以说接下来让我们应该是去试图自己建造一个B-2轰炸机，从0到1去模仿建造出来。生物学也是如此，当我们从上到下去了解了生命的每一个细节之后，我们想要进一步了解生命的奥秘，我们也需要从0到1把生命从下到上构建出来。这也就是合成生物学与基础科学的交叉之处。我们可以利用建造生命系统的过程来理解生命的奥秘，来探索其中的未知。接下来我为大家举几个例子。

我们知道基因组上基因非常多的，而这些基因之间存在着相互的关联。如何去探究这些基因之间相互作用的以及这些基因之间的相互作用会导致什么样的结果呢？合成生物学家就试图重新构建这些基因线路，然后去改变每个基因的组成成分或者改变他们之间的相互作用关系，来研究这些基因是如何相互影响和发挥作用的。比如大家可以看上面这个图，科学家利用这三个相互抑制基因，构建了一个震荡模型。震荡模型是什么呢？简单来说就是让生命让细胞可以产生一种震荡的行为。大家可以看右边这张图，你看，当我们把这种震荡行为赋予给细胞的时候，我们可以看到细胞的一个菌落，可以成了一个规则的一个震荡图案——同心圆。而把这种震荡模型赋予荧光蛋白表达的时候，我们可以看到细胞的荧光，可以呈现一种震荡的变化，先是绿，然后是红，黄，蓝等等。

细菌的荧光震荡变化（微流控） https://www.zhihu.com/video/1017380594849787904 细菌的荧光震荡变化（试管） https://www.zhihu.com/video/1017380638072143872

同时我们还可以利用基因线路来模拟自组织形成的多细胞结构。你看我们用一个简单的基因线路，可以模拟胚胎细胞分化的过程。我们还可以进一步利用基因线路来形成特殊的一个模式。而这将有助于我们了解复杂的生命体，让我们去了解生命的过程是如何进行的。

自组织形成的多细胞结构模拟1 https://www.zhihu.com/video/1017380819324694528 自组织形成的多细胞结构模拟2 https://www.zhihu.com/video/1017380857883025408 自组织形成的多细胞结构模拟3 https://www.zhihu.com/video/1017380900719382528

当然，合成生物学还可以做到更多。现在来说，不仅仅是可降解塑料，我们可以利用细菌可以产生各种各样的化学物质，比如生物燃油，可以治愈重大疾病的药物分子，各种各种关键的化学前体物质。

我们还可以从头设计蛋白质，赋予蛋白质我们想要的功能。

甚至我们还可以从头合成生命。被誉为科学狂人的著名科学家克雷格·温特尔在2010年完成了这项工作：辛西娅1.0在这一年诞生了。我想你们的生物课本中应该也一定介绍过克雷格·温特尔，他也是人类基因组测序计划的领军人物之一。

我们还可以设计最小的生命——具有最小的基因组，仅仅473个基因，探索生命最基础的组成元素，这项工作也是科学家克雷格·温特尔领导完成的。

还有这去年轰动世界的成果：真核酵母染色体的从头合成，这项工作很大一部分工作是由我们中国科学家完成的。通过从头合成和设计基因组，我们可以探索更多生命的奥秘。

当然合成生物学还能为我们带来更多的惊喜。

我们可以设计用来吸收重金属的微生物解决环境污染问题，设计可以靶向癌细胞的免疫细胞，使其可以定向杀死体内的癌症细胞，治疗癌症。设计光合作用效率更高的农作物，让其产生更多的粮食，或者让微生物生产生物燃油解决能源问题。我说这些并不是设想，而是合成生物学正在做甚至已经成熟的研究成果。所以说合成生物学无论是现在和未来都将会有重要的应用。

讲到这里 ，我想说合成生物学里最重要的是工程化原则，而工程化带来便是简单化，标准化。合成生物学为生物带来的工程化理念可以让不同的实验室，不同的工厂都可以对生物工厂进行设计和改造。甚至不仅仅是专业的人员，有一天普通大众也可以像搭积木一样设计或者改造生物。

我每次演讲的时候都可以向人展示这张图片。我们自然设计的生命是什么样子呢？我们从猿最后成为了程序员。当然这是一种开玩笑的说法。不过我想说，合成生物学在不断向自然学习的同时，也可以超越自然的限制，将生物系统的研究拓展到了未曾存在的领域。这将让我们去探索更多的未知，达到人类从未企及的深度和高度。

当然，合成生物学欣欣向荣的背后，也存在着一定的危机。我们可以想象一下，既然和生物学有这么强大的能力，可以设计和改造生物，那么就一定会有可能会存在坏人来做坏事。这里面涉及了很多伦理道德的问题。比如遗传改造婴儿，强化人类，用户定制的生命体。甚至说是人造超级病毒，用来消灭人类。因为大家可能在未来可能要进入科学界，所以在这里就一定要谈一谈科学家的道德与责任。

作为一名科学家，我们必须去将科学引导到正确的道路上来，用科学服务我们人类，而不是损害我们人类。我们必须时刻意识到一个科学家的道德与责任。同时我们也要让民众相信我们科学研究者，让大家知道科学将会用用于对人类有益的正确道路上。同时我们科学共同体也要做好监管和自我净化，未雨绸缪，避免潜在的危险。

同时，合成生物学的发展也面临着一些基础性的问题和瓶颈。这里面包括乐高积木的限制，也就是说我们现在缺少标准化、正交化、可调谐的优质积木元件。同时，生命的复杂性也让我们望而却步，这方面的突破需要基础科学的突破，来助力合成生物学的发展。

合成生物学的未来

说了这么多，我们再来畅想一下吧。用我们自己的想象。这将是一个轻松的环节。假如你拥有了改造和设计生命的能力，那么你有什么奇妙的想法呢？

大家可以随意想象，毕竟想象是无边界的。

比如你可能想建造一种可以在夜间发光的树木。这种树木可以在白天吸收太阳能，然后在夜间发光替代路灯，让整个社会更加节能和绿色。

我们也知道SpaceX也将在几年之后送人类抵达火星。你也可能想设计一种微生物或者植物可以在火星上生存，最终让火星变成一个绿色的星球。

那么接下来让我们看一下艺术家眼里的合成生物学的未来是什么样子吧？

想象中的合成生物学未来 https://www.zhihu.com/video/1018789099796393984

以上视频我专门写过一篇文章——传送门：

孟凡康：想象中的合成生物学未来：超级大黄蜂、有生命建筑、超级神经计算机与生命的宇宙探索

是不是感觉很神奇？

一切的想象都是驱动科学发展的源泉，而合成生物学正在将我们的想象变成可以预见的未来，最终造福全人类。

对年轻人的号召

最后呢，我还想再说两句，真的非常高兴来自全国各地的各位，最优秀的你们能够来到国科大的夏令营，并在这里度过一周的精彩时光。提到国科大我们能想起什么？也许每个人的想法都会不同，这里是科研的圣地、殿堂，也是科学领袖的摇篮。我也很信心国科大在未来十年会成为中国版的Caltech，成为世界的学术圣地之一。

如果你对科学研究感兴趣，我想这里应当成为你大学的最佳选择之一。作为一名年轻的研究生，在这里，我想说一点对大家的期望，我想这些话也是对我说的。
首先，我希望你们在未来的科学研究中能够不断主动拓宽自己的视野，作为世界科学领域的储备力量，我想我们应该通过研究来为人类、社会以及整个世界的问题提供一个解决方案。

同时我想我们做研究应当面向人类面临的重大科学问题，这里不仅仅是生物，还有数学、物理、化学、环境、心理等等。人是要有理想的，现实生活再如何糟糕，在这个时代，我希望我们仍能够仰望星空，去探索人类还未曾涉及的科学奥秘。

祝愿你们未来能够在科学中实现自己的人生价值，并推动人类科学的进步。你们的未来将会是十分精彩的！祝你们好运！

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：孟凡康

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