“外公，该吃点下午茶降降血糖啦——”
“好嘞，今天的饼干我想配红茶。”
在未来，药物的样子可能跟大家想象的不太一样：一块饼干、一杯茶，也能成为治疗疾病的药品。
良药未必苦口、下午茶也能治病，随着合成生物学领域的发展，这样的医疗也许将成为未来的一部分。
如果有一天外星人来到地球，并留下了一个太空飞船，我们要如何理解飞船背后复杂的原理呢？
第一步——把它拆了。
外星人：啊对对对
从工程的思维出发，任何了不起的发明都离不开最基础的零部件，从小小的一个螺丝，一根电线，都是现代科技的基础。当我们能充分理解各个零部件的功能和逻辑，我们就可以将这些看似平平无奇的零部件组装起来，创造出小到自行车，大到磁悬浮列车、人工智能等多种现代科技。
将复杂结构拆解成零件是了解复杂机器的第一步，想要了解我们的身体也是一样。也许我们感受不到，但为了维持人体的基本秩序，我们身体就像是一座24小时无休的工厂，体内的细胞每时每刻都在有条不紊地执行着复杂的命令。
人体工厂 艺术家Fritz Kahn（1927）
细胞的表面有许多“信号接收器”，叫做受体，可以接收来自别的细胞发出的信号。当拥有正确的信号与受体结合，细胞中的一部分基因就会被开启/抑制，继而在酶的催化下产生一系列的化学反应，将一个物质转化为另一个物质。
这样一个“接收信号-行动”的过程被叫做信号通路，而细胞内将一个物质转化为另一个物质的连锁反应被称为代谢通路。通过信号通路，我们的身体能够调控代谢通路的运作，从而促使人体对复杂的环境作出反应。
工作细胞的凝血瀑布就是一个常见的代谢通路
图源：动画 工作细胞
在过去的几十年里，人类对于这些复杂的信号通路的机制的认知在不断加深。1990年，一项重要的研究——人类基因组计划正式启动，这项计划对人类基因进行测序。
当我们对于细胞的信号通路、以及所涉及的基因与蛋白质有着充分了解时，我们就可以尝试利用工程和编程的方法来“设计”细胞中的代谢通路。
合成生物学思路与工程思维的类似
图源：Molecular Systems Biology
合成生物学将工程思维运用到了生物学上——把蛋白质、基因当作基础的零部件，设计信号通路，制造合成生物。目前，一共有两种尝试思路：
1自上而下：利用已有的生命体——细菌、单细胞生物作为基础，并为其赋予一些额外的功能，或是替换一部分基因
2自下而上：利用非生命物体和已知的细胞通路，设计出一个全新的生命体
人类的许多棘手的疾病，也与细胞信号通路的失常有关——例如糖尿病患者无法生产胰岛素、调节血糖；癌症患者无法停止癌细胞的生长等等。细胞的沟通和执行如果出现问题，身体的一些功能就无法实现。合成生物学以编程的思路来设计细胞，当人体这个复杂的工厂出现故障，通过特殊设计的合成细胞就像是外聘专家一样，可以前来精准支援、修复或替代出现问题的代谢通路，从而治疗疾病。
巧克力、冰淇淋、面包——对于贪吃但健康的人们来说，摄入过多糖分的结果通常是：肥胖。正常情况下，在血液中糖分高时，身体会分泌一种蛋白质激素——胰岛素。胰岛素可以协助细胞吸收血液中的糖分，将其成为细胞运作的能量，而多余的糖分将被储存为脂肪。
但对于胰岛素分泌不够、或是胰岛素无法被充分利用的糖尿病患者来说，血液的糖分无法被细胞利用，血糖含量过高，带来疲劳、易怒、尿频等种种问题。
科学家们研究出了一种可以生成胰岛素的新细胞，像是一个独立于人体的胰岛素生产插件。将细胞植入小鼠体内后，就相当于建设一座“胰岛素生产工厂”，可以在需要的时候生产胰岛素、降低血糖。
人体内的胰岛素生产工厂
图源：Nature Chemical Biology
等一下，身体环境如此复杂，我们要如何保证一个外来细胞不会造成意料外的副作用呢？
为了控制细胞只在需要的时候工作，科学家们利用合成生物学制造了一把自然界中没有的氨基酸“钥匙”，这样的钥匙可以被储存在特殊的饼干里。平时，没有钥匙的合成细胞在体内休息，不对任何信号作出反应，也不生产胰岛素。一旦吃下饼干，饼干中的人工氨基酸将会被一种特殊的、身体中没有的合成酶信使直接送给“胰岛素工厂”细胞。
当血糖降低、饼干中的氨基酸被充分代谢后，人造细胞再一次进入休眠状态。
“就数你最闹腾”
利用合成生物学的方法，科学家设计了一整套独立于生物自身代谢的胰岛素生产机制。从氨基酸钥匙、合成酶信使、到合成细胞，这一整套体系的运作都不会与生物自身的信号路径互动。氨基酸和合成细胞里应外合，成功修复了出问题的氨基酸生产线。
正常情况下，细胞的生长和分裂都听令于一些特殊的信号，只在需要的时候分裂，在不被需要时就会启动自毁流程。
但是，总有一些细胞格外叛逆，当细胞开始忽略外在信号的指令，开始无组织地分裂生长时，它就成为了癌细胞。癌细胞有可能出现在身体的任何地方，它们无视任何停止增长的指令，欺骗免疫细胞，并在身体中肆意生长。
晕倒的“癌细胞”
来源：动画 工作细胞
由于身体没有办法很好地分辨癌细胞与正常细胞，现在的癌症治疗十分困难，且治疗方案的无差别攻击也会误伤许多正常细胞，给身体造成负担。
啊，好难啊——如果能给癌细胞都贴上“癌细胞”的标签就好了！
嗯？其实也不是不行——
如果要找到坏人需要识别指纹，而不同种类的癌细胞也有着与正常细胞不同的微RNA（microRNA）“指纹”。
通过合成生物学技术，我们可以设计生物通路，给细胞安装一个“杀毒软件”。根据microRNA的组成，让每一个细胞自我判定——我是个癌细胞吗？
自律给人自由？
图源：芥子SpeakGreen
如果细胞的微RNA组成与癌细胞相符，那么“自动销毁”路径将被启动，癌细胞将会执行自杀命令。但如果目标微RNA组成与细胞不符合，那么细胞将不会作出任何反应。
如此一来，我们就可以有效区别癌细胞与健康的细胞，并且利用合成生物学手段将癌细胞骗上“自杀之路”。
目前，合成生物学仍然是一个新兴领域，人工改造的活体细胞更是人类设计出最最复杂的“药物”。
世界上有一万多种记录在册的疾病，而其中，绝大部分都没有很好的治疗手段。在未来，合成细胞药物将面临更多的临床实验和商业化潜能。在人类对抗疾病的道路上，合成生物学将为我们提供无限可能。
与此同时，合成生物学的发展也带来了新的政策以及伦理问题。毕竟作用于医疗领域只是这项技术成熟之前人们最保守又最美好的设想——它也许还有万千无数种其他的用途，改变我们的生活。这也是大部分的新生技术一贯会面临的质疑和审视。
合成生物学只是我们手中的一个工具，任何创造都带有人的主观投射；技术手段的发展也需要人与社会的积极支持和理性对待。因此，合成细胞的未来最终仍然离不开一个问题：我们想要如何应用它？我们想要它迎接一个什么样的未来？*★
审核：中科院分子细胞科学卓越创新中心 胡志国
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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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来源：上海科技馆
编辑：藏痴