本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
這是一篇來自 iGEM team UANL 2012的 M. A. Loera Sánchez 撰寫的客座帖子。我進行了一些小的語法編輯，但除此之外，這篇文章完全是他的作品，我感謝他給我機會在我的部落格上釋出這篇文章。所有參考文獻都在正文下方。
合成生物學的主流前沿
“凡我不能創造者，皆不能理解。”
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天才物理學家理查德·費曼的這句話巧妙地加密到首批具有人工基因組的細菌細胞的遺傳密碼中，這些細胞是前所未有的。
實際上，引用的句子是“凡我不能創造者...”，但也許 JCVI 的科學家們——他們是這項巨大突破的幕後功臣——更願意節省一些鹼基對，以避免使用“創造”這個詞及其棘手的含義。他們在 2010 年發表了這項工作，開啟了一個充滿可能性的全新世界，並讓任何人完全清楚我們談論合成生物學時意味著什麼，以及它的最終目的應該是什麼：透過構建生命來理解生命。
儘管“合成生物學”這個術語自 20 世紀 70 年代中期以來就已存在，但它的定義一直非常模糊：有些人會將與一般基因工程程式相關的任何事物都稱為合成生物學；另一些人，也許更有道理，會聲稱他們正在進行合成生物學研究，因為他們從事 DNA 合成或使細菌像微型計算機一樣運作。甚至美國總統生物倫理問題研究委員會 2010 年的報告也不得不從不同角度（分子生物學、化學家和工程師的角度）定義該術語，並指出與合成生物學相關的活動在某些人看來只是現有領域的延伸，如分子生物學、基因工程和微生物學。
我記得（哦，真慚愧！）我對如此矛盾的事物成為現實的可能性持懷疑態度。當我回憶起我曾經糾正第一個對我說“合成生物學”的人，告訴她她想說的可能是系統生物學時，我仍然會臉紅。
那麼它到底是什麼呢？
嗯，我在 Bio! 的工作一直致力於深入研究合成生物學和 iGEM 競賽，在這段時間裡，我開始注意到我所說的“合成生物學的主流前沿”。這些是所謂的合成生物學專案將採取的主要方向，透過列舉它們，我認為這將更容易闡明該領域的獨特特徵。
前沿 1：DNA 合成
DNA 合成技術的發展使我們現在能夠合成比 PCR 引物更大的 DNA 序列；基因和基因組正在被完全合成；透過僅合成所需的序列，無需亞克隆以獲得有用的限制性位點，從而簡化了困難的構建。最令人驚歎的成就之一是生成了首批具有完全合成基因組的複製細胞，順便說一下，它被稱為“Synthia”。此外，合成 DNA 最令人驚奇的應用之一與活細胞幾乎無關：它們被用作機械部件，因為畢竟 DNA 是一種物理實體，可以這樣使用，從而為 DNA 奈米結構領域奠定了基礎。
一種稱為“DNA 摺紙術”的特殊技術已經非常成功（參考文獻 1）。自 2006 年其發明發表以來，DNA 摺紙術定製結構已被用作機械和計算裝置；有軟體可用於生成構建所需形狀所需的 DNA 序列。最近，DNA 摺紙術結構已被用作智慧裝置，可以識別並將藥物輸送到癌細胞。
前沿 2：標準化學派和 iGEM 競賽
基因克隆的特點之一是混亂且獨特的方案，這些方案因實驗室而異，也因構建體而異。如果這些程式標準化，以便任何人都可以透過相同的步驟和相同的限制性酶完成任何所需的構建，會發生什麼？
麻省理工學院的一個小組近年來一直致力於生物領域的標準化。主要目的是透過模仿工程領域的發展來加速生物學的發展，即達成類似於機械工程師在材料和工具尺寸方面達成的共識。此外，如果我們使用標準部件，對它們的定量表徵也將得到促進，使數學模型和模擬成為有用的預測工具。
因此，存在標準生物部件註冊庫，它基本上是 DNA 序列的集合，這些序列共享一組特定的規則，這些規則簡化了它們彼此之間的組合。這些序列中的每一個都是一個生物部件，現有部件包括啟動子、核糖體結合位點、編碼基因以及由單個部件組合而成的複合部件；這些部件也稱為“生物磚 (BioBricks)”，它們旨在工作的生物體被稱為“底盤 (chassis)”。
生物磚 (BioBricks) 的基本特徵是簡化其組合的規則集；這些規則允許透過以相同的順序迭代使用相同的限制性酶來連線 DNA 序列。這項技術的基礎是等冪載體的設計，最初由麻省理工學院的 Knight 小組提出。
生物磚 (BioBricks) 使用的巨大潛力反映在國際基因工程機器大賽 (iGEM) 中展示的大量精彩和富有創意的專案中，該比賽也始於麻省理工學院。在這項比賽中，本科生被挑戰透過使用生物磚 (BioBricks) 來製造最具創新性的生物機器。自第一屆 iGEM 以來展示的專案包括生物感測器、生物修復劑、光控細胞、代謝工程細胞、合成基因線路以及許多其他專案，以及它們相應的數學模型。學生們也被鼓勵為專案的人文方面做出貢獻。
前沿 3：遺傳密碼擴充套件
有許多氨基酸可以賦予蛋白質許多有用的特性，但在自然界中，只有 20 種氨基酸通常由生物體中發現的 64 個密碼子編碼，加上一些生物體也編碼一些稀有氨基酸，如吡咯賴氨酸和硒半胱氨酸。
為了充分利用所謂的非天然氨基酸中發現的所有化學潛力，可以做些什麼？一種方法是將非天然氨基酸化學摻入到已有的蛋白質中，但這種方法高度非特異性，效率可能較低；理想的方法是在從 mRNA 翻譯所需蛋白質的那一刻摻入這些非天然氨基酸。
這實際上可以透過使用正交翻譯系統和擴充套件的遺傳密碼來實現。常見的 64 密碼子/20 氨基酸遺傳密碼已擴充套件到 64 密碼子/21 氨基酸，甚至 65 密碼子/21 氨基酸，其中一個密碼子適用於非天然氨基酸。（參考文獻 2 和 3）
摻入這種非天然氨基酸的系統是存在來自系統發育上遙遠的生物體的 tRNA 和氨醯 tRNA-轉移酶 (AARS) 酶；tRNA 和 AARS 都經過修飾，可以透過定向進化識別非天然氨基酸。由於與宿主機制的系統發育距離，AARS 會將非天然氨基酸載入到 tRNA 中，而不會干擾宿主的天然 tRNA 和 AARS，即它們將是一個正交翻譯系統。
剩下的部分是編碼非天然氨基酸的密碼子。在大腸桿菌中，琥珀密碼子 (UAG) 是其基因中發現的最不常見的密碼子，因此它通常被用來被正交 tRNA 識別，而不會對細菌的生長速率產生重大影響。然而，也生成了定製密碼子；最有趣的是，四核苷酸密碼子已被證明是功能性的。
蛋白質中的非天然氨基酸已被用作化學合成的位點（非天然氨基酸中某些化學基團的存在提高了某些程式的效率和特異性，如點選化學），從而可以偶聯許多不同的活性化合物。透過這種方式，已經生成了與熒光探針、FRET 對和聚乙二醇偶聯的蛋白質。此外，透過摻入磷酸化殘基，已經可以入侵細胞中正常的訊號轉導系統。最後，最近，遺傳密碼擴充套件已被用於製造“寡抗體 (oligobodies)”，這是一種 DNA 寡核苷酸和抗體的混合物。
前沿 4：合成基因線路
如果可以將基因表達的複雜調控分解為若干基本過程，那麼透過理解這些基本過程，我們最終應該能夠理解當它們組合在一起時會發生什麼，以及它們如何構成完整的基因調控機制。
在原核細胞和真核細胞中生成像開關和振盪器這樣的合成線路一直是令人興奮的研究課題，它彙集了數學家、計算機科學家、分子生物學家和工程師。透過使用核糖開關、工程啟動子位點和對特定刺激（如光或某些化合物）作出反應的轉錄因子，已經實現了類似開關的基因線路行為。
合成振盪基因線路的概念和數學研究自 20 世紀 60 年代初以來一直活躍，但直到最近，體內實驗才驗證了這些理想化。大量的努力致力於振盪基因線路拓撲結構的數學表徵、模擬和體內實施。
合成基因線路已被用於透過重新連線自然線路或在訊號級聯中誘導“短路”來闡明自然線路；功能正常的 बेसिक合成基因線路是複合合成系統（如邏輯閘和合成訊號級聯）的關鍵。
前沿 5：代謝工程
認識到對於代謝工程來說，僅僅混合現有基因來重新連線生物合成途徑是不夠的，這可能是某些代謝工程研究也被認為是合成生物學一部分的主要原因。對代謝通量、啟動子活性、偏好密碼子和支架蛋白的整體理解是合成代謝工程的基礎。
開創性研究之一來自 Keasling 小組，他們用合成代謝途徑重新連線了大腸桿菌，該途徑導致抗瘧藥青蒿素的前體產生。該領域已發展到包括生物燃料生物合成途徑。（參考文獻 5 和 6）
Keasling 小組開發的另一種合成代謝工程方法是使用合成蛋白質支架。這些合成支架由來自系統發育上遙遠的生物體的天然蛋白質結合域製成；合成支架包含許多不同的結合域。當來自特定代謝途徑的一組酶與配體域進行基因偶聯時——每種酶具有不同的配體域——它們將以有序的模式附著到合成支架上。然後，合成支架充當代謝途徑的空間錨，可以極大地改變代謝通量以實現所需產物。
支架概念的一個有趣的衍生是由 斯洛維尼亞團隊 在 2009 年 iGEM 中開發的。該團隊沒有使用蛋白質作為支架，而是使用 DNA 分子來招募代謝途徑的酶；這可以透過將酶與來自系統發育上遙遠的轉錄因子的 DNA 結合域進行基因偶聯來實現。因此，DNA 結合酶將附著到合成 DNA 構建體中的識別位點，並增強透過生物合成途徑的代謝通量。
結束語
透過列舉合成生物學的主要前沿
1) DNA 合成
2) 生物部件標準化
3) 遺傳密碼擴充套件
4) 合成基因線路
5) 代謝工程，
可以看出，所有專案共享的共同點是驅動力，即獲得對細胞過程越來越精確的控制，考慮到基本要素——即定製 DNA 序列、透過遺傳密碼擴充套件產生的定製蛋白質、標準生物部件和基本合成線路——以及更高階的要素——複合合成線路和工程代謝途徑。
合成生物學旨在並且實際上開始控制細胞過程的程度和工具是使其與生物科學的任何其他領域區分開來的原因。
合成生物學是一個快速發展且富有成效的領域。確實有很多事情要做，特別是關於生物部件和線路的精確定量表徵；但由於該領域正在吸引來自不同學科的許多聰明而活躍的年輕人，因此未來幾年的增長和創新速度可能會提高。
MALS/哥廷根
2012年3月18日。
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參考文獻
1) Douglas, S., Marblestone, A., Teerapittayanon, S., Vazquez, A., Church, G., & Shih, W. (2009). 使用 caDNAno Nucleic Acids Research 快速原型製作 3D DNA 摺紙形狀，37 (15), 5001-5006 DOI: 10.1093/nar/gkp436
2) Young, T., & Schultz, P. (2010). 超越規範的 20 種氨基酸：擴充套件遺傳詞彙 Journal of Biological Chemistry，285 (15), 11039-11044 DOI: 10.1074/jbc.R109.091306
3) Kazane, S., Sok, D., Cho, E., Uson, M., Kuhn, P., Schultz, P., & Smider, V. (2012). 用於特異性和靈敏免疫 PCR 的位點特異性 DNA-抗體偶聯物 Proceedings of the National Academy of Sciences，109 (10), 3731-3736 DOI: 10.1073/pnas.1120682109
4) Moon TS, Clarke EJ, Groban ES, Tamsir A, Clark RM, Eames M, Kortemme T, & Voigt CA (2011). 構建遺傳多路複用器以在大腸桿菌中的化學感應途徑之間切換。Journal of molecular biology，406 (2), 215-27 PMID: 21185306
5) Nielsen, J., & Keasling, J. (2011). 合成生物學與代謝工程之間的協同作用 Nature Biotechnology，29 (8), 693-695 DOI: 10.1038/nbt.1937
6) Jarboe, L., Zhang, X., Wang, X., Moore, J., Shanmugam, K., & Ingram, L. (2010). 用於生產可生物再生燃料和化學品的代謝工程：合成生物學的貢獻 Journal of Biomedicine and Biotechnology，2010, 1-19 DOI: 10.1155/2010/761042