“外公，該吃點下午茶降降血糖啦——”
“好嘞，今天的餅幹我想配紅茶。”
在未來，藥物的樣子可能跟大家想象的不太一樣：一塊餅幹、一杯茶，也能成為治療疾病的藥品。
良藥未必苦口、下午茶也能治病，随着合成生物學領域的發展，這樣的醫療也許将成為未來的一部分。
如果有一天外星人來到地球，并留下了一個太空飛船，我們要如何了解飛船背後複雜的原理呢？
第一步——把它拆了。
外星人：啊對對對
從工程的思維出發，任何了不起的發明都離不開最基礎的零部件，從小小的一個螺絲，一根電線，都是現代科技的基礎。當我們能充分了解各個零部件的功能和邏輯，我們就可以将這些看似平平無奇的零部件組裝起來，創造出小到自行車，大到磁懸浮列車、人工智能等多種現代科技。
将複雜結構拆解成零件是了解複雜機器的第一步，想要了解我們的身體也是一樣。也許我們感受不到，但為了維持人體的基本秩序，我們身體就像是一座24小時無休的工廠，體内的細胞每時每刻都在有條不紊地執行着複雜的指令。
人體工廠 藝術家Fritz Kahn（1927）
細胞的表面有許多“信号接收器”，叫做受體，可以接收來自别的細胞發出的信号。當擁有正确的信号與受體結合，細胞中的一部分基因就會被開啟/抑制，繼而在酶的催化下産生一系列的化學反應，将一個物質轉化為另一個物質。
這樣一個“接收信号-行動”的過程被叫做信号通路，而細胞内将一個物質轉化為另一個物質的連鎖反應被稱為代謝通路。通過信号通路，我們的身體能夠調控代謝通路的運作，進而促使人體對複雜的環境作出反應。
工作細胞的凝血瀑布就是一個常見的代謝通路
圖源：動畫 工作細胞
在過去的幾十年裡，人類對于這些複雜的信号通路的機制的認知在不斷加深。1990年，一項重要的研究——人類基因組計劃正式啟動，這項計劃對人類基因進行測序。
當我們對于細胞的信号通路、以及所涉及的基因與蛋白質有着充分了解時，我們就可以嘗試利用工程和程式設計的方法來“設計”細胞中的代謝通路。
合成生物學思路與工程思維的類似
圖源：Molecular Systems Biology
合成生物學将工程思維運用到了生物學上——把蛋白質、基因當作基礎的零部件，設計信号通路，制造合成生物。目前，一共有兩種嘗試思路：
1自上而下：利用已有的生命體——細菌、單細胞生物作為基礎，并為其賦予一些額外的功能，或是替換一部分基因
2自下而上：利用非生命物體和已知的細胞通路，設計出一個全新的生命體
人類的許多棘手的疾病，也與細胞信号通路的失常有關——例如糖尿病患者無法生産胰島素、調節血糖；癌症患者無法停止癌細胞的生長等等。細胞的溝通和執行如果出現問題，身體的一些功能就無法實作。合成生物學以程式設計的思路來設計細胞，當人體這個複雜的工廠出現故障，通過特殊設計的合成細胞就像是外聘專家一樣，可以前來精準支援、修複或替代出現問題的代謝通路，進而治療疾病。
巧克力、冰淇淋、面包——對于貪吃但健康的人們來說，攝入過多糖分的結果通常是：肥胖。正常情況下，在血液中糖分高時，身體會分泌一種蛋白質激素——胰島素。胰島素可以協助細胞吸收血液中的糖分，将其成為細胞運作的能量，而多餘的糖分将被儲存為脂肪。
但對于胰島素分泌不夠、或是胰島素無法被充分利用的糖尿病患者來說，血液的糖分無法被細胞利用，血糖含量過高，帶來疲勞、易怒、尿頻等種種問題。
科學家們研究出了一種可以生成胰島素的新細胞，像是一個獨立于人體的胰島素生産插件。将細胞植入小鼠體内後，就相當于建設一座“胰島素生産工廠”，可以在需要的時候生産胰島素、降低血糖。
人體内的胰島素生産工廠
圖源：Nature Chemical Biology
等一下，身體環境如此複雜，我們要如何保證一個外來細胞不會造成意料外的副作用呢？
為了控制細胞隻在需要的時候工作，科學家們利用合成生物學制造了一把自然界中沒有的氨基酸“鑰匙”，這樣的鑰匙可以被儲存在特殊的餅幹裡。平時，沒有鑰匙的合成細胞在體内休息，不對任何信号作出反應，也不生産胰島素。一旦吃下餅幹，餅幹中的人工氨基酸将會被一種特殊的、身體中沒有的合成酶信使直接送給“胰島素工廠”細胞。
當血糖降低、餅幹中的氨基酸被充分代謝後，人造細胞再一次進入休眠狀态。
“就數你最鬧騰”
利用合成生物學的方法，科學家設計了一整套獨立于生物自身代謝的胰島素生産機制。從氨基酸鑰匙、合成酶信使、到合成細胞，這一整套體系的運作都不會與生物自身的信号路徑互動。氨基酸和合成細胞裡應外合，成功修複了出問題的氨基酸生産線。
正常情況下，細胞的生長和分裂都聽令于一些特殊的信号，隻在需要的時候分裂，在不被需要時就會啟動自毀流程。
但是，總有一些細胞格外叛逆，當細胞開始忽略外在信号的指令，開始無組織地分裂生長時，它就成為了癌細胞。癌細胞有可能出現在身體的任何地方，它們無視任何停止增長的指令，欺騙免疫細胞，并在身體中肆意生長。
暈倒的“癌細胞”
來源：動畫 工作細胞
由于身體沒有辦法很好地分辨癌細胞與正常細胞，現在的癌症治療十分困難，且治療方案的無差别攻擊也會誤傷許多正常細胞，給身體造成負擔。
啊，好難啊——如果能給癌細胞都貼上“癌細胞”的标簽就好了！
嗯？其實也不是不行——
如果要找到壞人需要識别指紋，而不同種類的癌細胞也有着與正常細胞不同的微RNA（microRNA）“指紋”。
通過合成生物學技術，我們可以設計生物通路，給細胞安裝一個“防毒軟體”。根據microRNA的組成，讓每一個細胞自我判定——我是個癌細胞嗎？
自律給人自由？
圖源：芥子SpeakGreen
如果細胞的微RNA組成與癌細胞相符，那麼“自動銷毀”路徑将被啟動，癌細胞将會執行自殺指令。但如果目标微RNA組成與細胞不符合，那麼細胞将不會作出任何反應。
如此一來，我們就可以有效差別癌細胞與健康的細胞，并且利用合成生物學手段将癌細胞騙上“自殺之路”。
目前，合成生物學仍然是一個新興領域，人工改造的活體細胞更是人類設計出最最複雜的“藥物”。
世界上有一萬多種記錄在冊的疾病，而其中，絕大部分都沒有很好的治療手段。在未來，合成細胞藥物将面臨更多的臨床實驗和商業化潛能。在人類對抗疾病的道路上，合成生物學将為我們提供無限可能。
與此同時，合成生物學的發展也帶來了新的政策以及倫理問題。畢竟作用于醫療領域隻是這項技術成熟之前人們最保守又最美好的設想——它也許還有萬千無數種其他的用途，改變我們的生活。這也是大部分的新生技術一貫會面臨的質疑和審視。
合成生物學隻是我們手中的一個工具，任何創造都帶有人的主觀投射；技術手段的發展也需要人與社會的積極支援和理性對待。是以，合成細胞的未來最終仍然離不開一個問題：我們想要如何應用它？我們想要它迎接一個什麼樣的未來？*★
稽核：中科院分子細胞科學卓越創新中心 胡志國
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· https://www.nature.com/articles/s41589-021-00899-z
· https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00175/full
· https://www.nature.com/articles/s41568-019-0121-0
· https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphar.2020.00119/full
· https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0958166919301545
· https://m.ofweek.com/medical/2021-11/ART-11106-8420-30535389.html
· https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Biological-Pathways-Fact-Sheet#:~:text=A biological pathway is a,spur a cell to move.
· https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2018.00070/full
· http://sheitc.sh.gov.cn/gydt/20220114/aeef580e0bd54c178d17484ce0ce0600.html
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來源：上海科技館
編輯：藏癡