中國網/中國發展門戶網訊 合成生物學是一門利用工程學原理改造和創造生命的學科，目前已經在生物能源、新材料、環境污染治理、腫瘤治療等方面展現出了巨大的潛力，能夠在國家科技發展、產業升級過程中發揮重大作用，助力“中國制造?2025”。與傳統生物工程相比，合成生物學最大的進步在于對工程設計原理的系統性應用：依據工程設計原理對天然存在的各種酶、調控分子等進行簡單化、模塊化處理，設計出具有各種基本功能的元件。人工基因線路是利用此類元件，根據類似于電子工程電路編程的思想設計的，對生命的運行過程進行的重新編程。這種對生命的重編程能夠針對多樣的需求對天然的各種功能進行優化，甚至引入自然界中不存在的人造法則，實現豐富的、可設計的生物學功能，為人類健康和社會發展服務。

人工基因線路的起源和研究進展

自然界中存在大量的天然基因線路，是生命體用于收集和處理各種體內生化信號和體外環境變化的動態調控系統，其與物質代謝、能量供給共同構成了生命過程的?3?個基本要素。所有生物體均由物質構成，由能量驅動，并由基因線路控制物質的代謝和能量的流動，以實現多樣的生理活動，如細胞分裂、個體形態發育等。同時，生物體對外界環境變化的適應和抗逆反應也依賴于基因線路。例如：人體細胞在血糖濃度升高時對胰島素的分泌；組織受損時啟動組織再生；大量失血時促進造血干細胞分化等。與天然基因線路不同，人工基因線路存在的目的是根據人工生命體的設計目標，進行有針對性的控制，實現特定的控制邏輯，發揮類似于計算機控制芯片的功能。因此，人工基因線路是對生命進行可編程控制的具體體現，是合成生物學的標志性技術。

對生命的編程如同電路編程一樣，需要使用大量工程化的元器件，如計數器、脈沖信號產生器、邏輯信號門、信號過濾器等，以實現從低級到高級，由簡單到復雜的控制。為了構建出此類元器件，需要在傳統生物學多年來對生命調控法則的認識基礎上，按照工程化設計原理對生命系統進行簡單化處理，再進一步按照不同的方式進行組合而成。盡管人工基因線路與電子線路都是信號采集和處理的信息運算系統，兩者在很多方面又是截然不同的。基因線路的工作環境是動態生長的活體細胞，是大量各種分子的混合物，而電子線路的工作環境是固體金屬和半導體材料，各個元件之間很容易實現絕緣。這些差異決定了針對基因線路的設計與組裝必須要探索新途徑，而不是簡單地照搬照抄電子線路的成功方案。

在過去?20?年間，合成生物學領域出現了一批奠基性的工作，在人工基因線路設計、調控元件以及組裝方法等方面實現了“從?0?到?1”的躍進。相應地，人工基因線路也經歷了從基本型到組合型的升級，已經開始具備對高級的生命過程進行模擬和探索的能力。

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