将生物细胞想象成一个恰好是活着的微型可编程设备，你就有了新兴领域合成生物学背后的基本概念。与试图解开自然生物系统的复杂性不同，“合成生物学家”最终希望使用现成的部件，从零开始构建高度可预测的简单活细胞。 至今还没有人做到这一点，但越来越多的科学家和工程师现在正朝着按需制造生命形式迈出第一步。
弄清楚如何编程人造细胞是优先事项列表中非常重要的一项。天然细胞的功能由相互作用基因的复杂网络或电路控制。正如工程师可以在电子电路中组装拨动开关和振荡器一样，新一代生物学家希望构建模块化的“即插即用”遗传电路。
James J. Collins 和他在波士顿大学的同事在 2004 年 6 月 1 日出版的《美国国家科学院院刊》上描述了这样一个模块。Collins 的团队设计了遗传拨动开关——开/关开关——可以控制天然网络，例如那些指导细菌细胞内蛋白质产生的网络。这项工作不仅证明了可以使用模块化设计策略对细胞进行编程，而且还为一类可以调节网络的新型疗法提供了模型。Collins 现在正忙于尝试对某些遗传网络进行逆向工程——这项技术可能有一天会帮助科学家确定新药的分子靶点。
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Collins 的遗传模块是使用标准克隆技术构建的，基本上是通过剪切和粘贴天然 DNA 到位。去年年底，另一组由哈佛医学院的 George M. Church 领导的科学家描述了一种制造合成 DNA 的新方法。组装 DNA，生命的编程代码，作为一种实验室技术已经存在多年。然而，Church 和他的同事使用这种新方法制造了构成核糖体亚基的所有 21 个基因，核糖体是组装蛋白质的细胞机器。构建长序列合成 DNA 的能力使科学家能够创造出以前从未存在过的基因。
最近，Church 宣布了一项新的 DNA 测序技术，该技术有望比传统方法更快，成本约为九分之一。这是开发经济实惠的基因组图谱的关键一步，这些图谱可能成为每个人医疗记录的一部分。
随着科学家开始大量制造遗传电路和人造分子，他们无疑希望将它们包装在自己设计的膜内——最终生产出真正的人造细胞。去年 12 月，洛克菲勒大学的 Albert Libchaber 描述了一种类细胞组装体的创造，他称之为“囊泡生物反应器”。囊泡由从大肠杆菌细菌中提取的液体组成，该液体被实验室制造的脂质双层包围——非常像真实细胞的膜。囊泡没有自己的 DNA，但它们能够通过膜中特殊的蛋白质代谢从周围介质中获得的营养物质。Libchaber 将囊泡视为封闭的实验室，这些实验室不仅可能在化学和医学中具有实际应用，而且可能有助于我们理解第一个天然细胞是如何进化的。