本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
这是一篇来自 iGEM team UANL 2012的 M. A. Loera Sánchez 撰写的客座帖子。我进行了一些小的语法编辑，但除此之外，这篇文章完全是他的作品，我感谢他给我机会在我的博客上发布这篇文章。所有参考文献都在正文下方。
合成生物学的主流前沿
“凡我不能创造者，皆不能理解。”
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天才物理学家理查德·费曼的这句话巧妙地加密到首批具有人工基因组的细菌细胞的遗传密码中，这些细胞是前所未有的。
实际上，引用的句子是“凡我不能创造者...”，但也许 JCVI 的科学家们——他们是这项巨大突破的幕后功臣——更愿意节省一些碱基对，以避免使用“创造”这个词及其棘手的含义。他们在 2010 年发表了这项工作，开启了一个充满可能性的全新世界，并让任何人完全清楚我们谈论合成生物学时意味着什么，以及它的最终目的应该是什么：通过构建生命来理解生命。
尽管“合成生物学”这个术语自 20 世纪 70 年代中期以来就已存在，但它的定义一直非常模糊：有些人会将与一般基因工程程序相关的任何事物都称为合成生物学；另一些人，也许更有道理，会声称他们正在进行合成生物学研究，因为他们从事 DNA 合成或使细菌像微型计算机一样运作。甚至美国总统生物伦理问题研究委员会 2010 年的报告也不得不从不同角度（分子生物学、化学家和工程师的角度）定义该术语，并指出与合成生物学相关的活动在某些人看来只是现有领域的延伸，如分子生物学、基因工程和微生物学。
我记得（哦，真惭愧！）我对如此矛盾的事物成为现实的可能性持怀疑态度。当我回忆起我曾经纠正第一个对我说“合成生物学”的人，告诉她她想说的可能是系统生物学时，我仍然会脸红。
那么它到底是什么呢？
嗯，我在 Bio! 的工作一直致力于深入研究合成生物学和 iGEM 竞赛，在这段时间里，我开始注意到我所说的“合成生物学的主流前沿”。这些是所谓的合成生物学项目将采取的主要方向，通过列举它们，我认为这将更容易阐明该领域的独特特征。
前沿 1：DNA 合成
DNA 合成技术的发展使我们现在能够合成比 PCR 引物更大的 DNA 序列；基因和基因组正在被完全合成；通过仅合成所需的序列，无需亚克隆以获得有用的限制性位点，从而简化了困难的构建。最令人惊叹的成就之一是生成了首批具有完全合成基因组的复制细胞，顺便说一下，它被称为“Synthia”。此外，合成 DNA 最令人惊奇的应用之一与活细胞几乎无关：它们被用作机械部件，因为毕竟 DNA 是一种物理实体，可以这样使用，从而为 DNA 纳米结构领域奠定了基础。
一种称为“DNA 折纸术”的特殊技术已经非常成功（参考文献 1）。自 2006 年其发明发表以来，DNA 折纸术定制结构已被用作机械和计算设备；有软件可用于生成构建所需形状所需的 DNA 序列。最近，DNA 折纸术结构已被用作智能设备，可以识别并将药物输送到癌细胞。
前沿 2：标准化学派和 iGEM 竞赛
基因克隆的特点之一是混乱且独特的方案，这些方案因实验室而异，也因构建体而异。如果这些程序标准化，以便任何人都可以通过相同的步骤和相同的限制性酶完成任何所需的构建，会发生什么？
麻省理工学院的一个小组近年来一直致力于生物领域的标准化。主要目的是通过模仿工程领域的发展来加速生物学的发展，即达成类似于机械工程师在材料和工具尺寸方面达成的共识。此外，如果我们使用标准部件，对它们的定量表征也将得到促进，使数学模型和模拟成为有用的预测工具。
因此，存在标准生物部件注册库，它基本上是 DNA 序列的集合，这些序列共享一组特定的规则，这些规则简化了它们彼此之间的组合。这些序列中的每一个都是一个生物部件，现有部件包括启动子、核糖体结合位点、编码基因以及由单个部件组合而成的复合部件；这些部件也称为“生物砖 (BioBricks)”，它们旨在工作的生物体被称为“底盘 (chassis)”。
生物砖 (BioBricks) 的基本特征是简化其组合的规则集；这些规则允许通过以相同的顺序迭代使用相同的限制性酶来连接 DNA 序列。这项技术的基础是等幂载体的设计，最初由麻省理工学院的 Knight 小组提出。
生物砖 (BioBricks) 使用的巨大潜力反映在国际基因工程机器大赛 (iGEM) 中展示的大量精彩和富有创意的项目中，该比赛也始于麻省理工学院。在这项比赛中，本科生被挑战通过使用生物砖 (BioBricks) 来制造最具创新性的生物机器。自第一届 iGEM 以来展示的项目包括生物传感器、生物修复剂、光控细胞、代谢工程细胞、合成基因线路以及许多其他项目，以及它们相应的数学模型。学生们也被鼓励为项目的人文方面做出贡献。
前沿 3：遗传密码扩展
有许多氨基酸可以赋予蛋白质许多有用的特性，但在自然界中，只有 20 种氨基酸通常由生物体中发现的 64 个密码子编码，加上一些生物体也编码一些稀有氨基酸，如吡咯赖氨酸和硒半胱氨酸。
为了充分利用所谓的非天然氨基酸中发现的所有化学潜力，可以做些什么？一种方法是将非天然氨基酸化学掺入到已有的蛋白质中，但这种方法高度非特异性，效率可能较低；理想的方法是在从 mRNA 翻译所需蛋白质的那一刻掺入这些非天然氨基酸。
这实际上可以通过使用正交翻译系统和扩展的遗传密码来实现。常见的 64 密码子/20 氨基酸遗传密码已扩展到 64 密码子/21 氨基酸，甚至 65 密码子/21 氨基酸，其中一个密码子适用于非天然氨基酸。（参考文献 2 和 3）
掺入这种非天然氨基酸的系统是存在来自系统发育上遥远的生物体的 tRNA 和氨酰 tRNA-转移酶 (AARS) 酶；tRNA 和 AARS 都经过修饰，可以通过定向进化识别非天然氨基酸。由于与宿主机制的系统发育距离，AARS 会将非天然氨基酸加载到 tRNA 中，而不会干扰宿主的天然 tRNA 和 AARS，即它们将是一个正交翻译系统。
剩下的部分是编码非天然氨基酸的密码子。在大肠杆菌中，琥珀密码子 (UAG) 是其基因中发现的最不常见的密码子，因此它通常被用来被正交 tRNA 识别，而不会对细菌的生长速率产生重大影响。然而，也生成了定制密码子；最有趣的是，四核苷酸密码子已被证明是功能性的。
蛋白质中的非天然氨基酸已被用作化学合成的位点（非天然氨基酸中某些化学基团的存在提高了某些程序的效率和特异性，如点击化学），从而可以偶联许多不同的活性化合物。通过这种方式，已经生成了与荧光探针、FRET 对和聚乙二醇偶联的蛋白质。此外，通过掺入磷酸化残基，已经可以入侵细胞中正常的信号转导系统。最后，最近，遗传密码扩展已被用于制造“寡抗体 (oligobodies)”，这是一种 DNA 寡核苷酸和抗体的混合物。
前沿 4：合成基因线路
如果可以将基因表达的复杂调控分解为若干基本过程，那么通过理解这些基本过程，我们最终应该能够理解当它们组合在一起时会发生什么，以及它们如何构成完整的基因调控机制。
在原核细胞和真核细胞中生成像开关和振荡器这样的合成线路一直是令人兴奋的研究课题，它汇集了数学家、计算机科学家、分子生物学家和工程师。通过使用核糖开关、工程启动子位点和对特定刺激（如光或某些化合物）作出反应的转录因子，已经实现了类似开关的基因线路行为。
合成振荡基因线路的概念和数学研究自 20 世纪 60 年代初以来一直活跃，但直到最近，体内实验才验证了这些理想化。大量的努力致力于振荡基因线路拓扑结构的数学表征、模拟和体内实施。
合成基因线路已被用于通过重新连接自然线路或在信号级联中诱导“短路”来阐明自然线路；功能正常的 बेसिक合成基因线路是复合合成系统（如逻辑门和合成信号级联）的关键。
前沿 5：代谢工程
认识到对于代谢工程来说，仅仅混合现有基因来重新连接生物合成途径是不够的，这可能是某些代谢工程研究也被认为是合成生物学一部分的主要原因。对代谢通量、启动子活性、偏好密码子和支架蛋白的整体理解是合成代谢工程的基础。
开创性研究之一来自 Keasling 小组，他们用合成代谢途径重新连接了大肠杆菌，该途径导致抗疟药青蒿素的前体产生。该领域已发展到包括生物燃料生物合成途径。（参考文献 5 和 6）
Keasling 小组开发的另一种合成代谢工程方法是使用合成蛋白质支架。这些合成支架由来自系统发育上遥远的生物体的天然蛋白质结合域制成；合成支架包含许多不同的结合域。当来自特定代谢途径的一组酶与配体域进行基因偶联时——每种酶具有不同的配体域——它们将以有序的模式附着到合成支架上。然后，合成支架充当代谢途径的空间锚，可以极大地改变代谢通量以实现所需产物。
支架概念的一个有趣的衍生是由 斯洛文尼亚团队 在 2009 年 iGEM 中开发的。该团队没有使用蛋白质作为支架，而是使用 DNA 分子来招募代谢途径的酶；这可以通过将酶与来自系统发育上遥远的转录因子的 DNA 结合域进行基因偶联来实现。因此，DNA 结合酶将附着到合成 DNA 构建体中的识别位点，并增强通过生物合成途径的代谢通量。
结束语
通过列举合成生物学的主要前沿
1) DNA 合成
2) 生物部件标准化
3) 遗传密码扩展
4) 合成基因线路
5) 代谢工程，
可以看出，所有项目共享的共同点是驱动力，即获得对细胞过程越来越精确的控制，考虑到基本要素——即定制 DNA 序列、通过遗传密码扩展产生的定制蛋白质、标准生物部件和基本合成线路——以及更高阶的要素——复合合成线路和工程代谢途径。
合成生物学旨在并且实际上开始控制细胞过程的程度和工具是使其与生物科学的任何其他领域区分开来的原因。
合成生物学是一个快速发展且富有成效的领域。确实有很多事情要做，特别是关于生物部件和线路的精确定量表征；但由于该领域正在吸引来自不同学科的许多聪明而活跃的年轻人，因此未来几年的增长和创新速度可能会提高。
MALS/哥廷根
2012年3月18日。
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参考文献
1) Douglas, S., Marblestone, A., Teerapittayanon, S., Vazquez, A., Church, G., & Shih, W. (2009). 使用 caDNAno Nucleic Acids Research 快速原型制作 3D DNA 折纸形状，37 (15), 5001-5006 DOI: 10.1093/nar/gkp436
2) Young, T., & Schultz, P. (2010). 超越规范的 20 种氨基酸：扩展遗传词汇 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). 用于特异性和灵敏免疫 PCR 的位点特异性 DNA-抗体偶联物 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). 构建遗传多路复用器以在大肠杆菌中的化学感应途径之间切换。Journal of molecular biology，406 (2), 215-27 PMID: 21185306
5) Nielsen, J., & Keasling, J. (2011). 合成生物学与代谢工程之间的协同作用 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). 用于生产可生物再生燃料和化学品的代谢工程：合成生物学的贡献 Journal of Biomedicine and Biotechnology，2010, 1-19 DOI: 10.1155/2010/761042