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再次让人感到奇怪的是，在这种场景中，并不存在物理学、生物学或者化学方面的障碍。与大脑皮质调制解调器一样，人们对于这类技术有巨大的需求，如减少疾病带来的负担、提高老年人的生活品质，终极目标是把衰老从某种不可避免的终点转变为可管理、可持续的过程。不过，前方长路漫漫。
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大脑皮质调制解调器和再生医学都体现了人类在未知领域的工程能力。虽然我们还不能设计一个大脑，或者像大脑一样工作的东西，因为我们对于大脑细胞的工作原理还没有完全理解，不论是单个细胞，还是作为一个整体，但是我们正在消灭无知，为人体生理创造新的能力。我们现在可以通过把神经连接到计算机上来直接读写其信号。我们已经有足够的能力控制人类细胞的活动，把它们粘贴在一起组成可利用的形状，利用我们现在还没完全理解的机制制造可用的器官。这表明在未来的几十年，生物技术的范围将不会受限于我们目前所知道的生物学的点点滴滴，而是如何把这些新技术组合在一起充分利用好。在历史上，这种方法已经获得了巨大的成功。
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生物技术繁荣的基础
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现在我们还在学习如何高效安全地修复或矫正人类的身体，包括我们的基因组。几十年来，我们已经能在实验室里对其他生物的基因编码进行读写。人们对于这种技术的需求是十分巨大的。虽然还处于早期阶段，但是在享受生物技术带来的经济利益时，很关键的一点是，我们需要知道去往何方。基于基因工程的商业活动已经逐渐、悄悄地成为美国经济的主要贡献者之一。
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到2012年，生物技术在美国创造的收入已经超过GDP（国内生产总值）的2%（见图3–1）。这些收入主要由三大子行业组成：生物制品（如生物制药），转基因农作物，以及工业生物技术产品（如燃料、酶和材料）。如果把生物技术作为一个行业，2012年其对美国经济的贡献高于采矿业（0.9%）、公共事业（1.5%）或者计算机和电子产品制造业（1.6%）。相比较，生物技术行业的相对体量是不是有点出人意料？这主要是因为一直以来人们都疏于对其进行测量。美国商务部至少早在1958年就开始跟踪半导体对于美国经济的贡献度，那个时候这个贡献度还不到GDP的0.1%，但是到2016年还没有对于生物技术贡献度的官方跟踪，所以其经济影响是悄悄发挥的。
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图3–1 美国生物技术收入
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生物技术的收入越来越多地依赖于对DNA碱基对上的基因编码进行的读、改、写（见图3–2）。现在自动工具可以进行电子信号与生物信号之间的直接转换，这是过去30年技术发展取得的成果。这个时间段很重要，因为它比从现在到本书给出的时间点——2050年更短。在未来30年，这项技术将更加便宜、普及和强大。自1985年以来，读写DNA的成本大幅下降，而仪器的效率呈指数级增长，大概每18个月翻一番。最近几年，测序的效率呈超指数增长，主要是受到基因指令读取及编码的强烈需求驱动，并且已经应用到人体、病原体、肿瘤、农作物、宠物，以及科学家可以接触的其他任何生物。
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图3–2 卡尔森曲线和摩尔定律
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一旦被数字化，这些基因序列就可以组成一个指令集合，用于构建新的基因来制造有机体，目前通常是微生物和植物。这种DNA可以用于针对药物的某种蛋白质进行编码，或者用于编码整条合成途径中的酶，用于制造现在从石油中提炼出来的任何分子。经过几十年的生物学研究，我们已经不再局限于设计自然环境中能找到的基因，或者对这些基因进行排列。
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现在人类可以根据具体的功能需求来设计基因编码，然后将这些指令整合为一个基因组。与大脑皮质调制解调器以及人工器官一样，虽然我们已经开始设计基因线路，但是并不知道所有这些组件是如何工作的。目前商业应用中最复杂的合成基因线路只包含大约12个基因，这些基因被粘贴在酵母基因组中，酵母基因组本身由超过5000个基因组成，其中很多基因我们知之甚少。生物工程目前是一项对复杂的遗传系统的侵入行为，并没有合适的操作手册。在未来的30年，人类会投入大量资源来消除在这方面的无知。
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在这几十年里，我们将研究生命的各组成部分和各系统是如何结合在一起的。这些组成部分在数量上、功能上以及相互交互方面都是有限的。毫无疑问，随着时间的推移，我们将充分理解它们。随着我们对其理解的提升，不断增长的市场需求将不可避免地带动工程能力的进步。当我们真正知道自己在做什么时，世界又将是怎样一番景象呢？
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生物工程的未来
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要想对生物工程的未来做出一些预测，可以反过来考虑一下这个例子。在波音777飞机起飞之前一个世纪——1892年，人们会如何看待它？在那个时代，汽车都还是稀罕物，马匹、马粪还充斥在人们的日常生活之中，现代飞行器的每一个部件在当时看来都是一个奇迹。制造飞机的材料和方法、保持飞机在空中飞行的引擎和系统、能够全天候自动处理90%起飞和降落的计算及复杂管理能力，在当时看来都是不可思议的。1892年，虽然在物理上被证明是完全可行的，但是波音777飞机还是超越了当时人们的想象力和工程水平。
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然而，在100年的时间里，波音777飞机的各个方面都取得了进步和提升，并整合为一个在今天看来似乎很普通的功能整体。现在这个基础已经非常成熟，并且集成度很好，设计人员可以坐在办公桌旁，操作在地球另一边的自动化生产线。
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但我们仍然不能彻底地明白机翼是如何在湍流中维持上升的。我们的设计不是基于飞行的详细物理原理，而是通过大量的模拟来对流体动力学建模。最终，我们相信可以从这些模拟得出波音777飞机的适航性。但是，这些通过“可制造性设计”制造出来的飞机如此安全，并具有极高的可重复性，以至于只要飞机一起飞，我们就能安心地进入梦乡。虽然现代航空飞行器不能给我们带来多大刺激，却给我们带来了生物技术方面激动人心的线索。虽然听起来有些可怕，但是在未来，生物制造就会像现在的飞机制造一样平淡无奇。
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改变已经到来。生物设计自动化行业，类似于现代航空业，目前在全球各大洲都涌现了不少雄心勃勃的初创企业。大型制药和工业生物技术公司尾大不掉，无法灵活地把自己的研发力量转移到这个方向，它们是这种新方法的主要客户。当可制造性设计最终变成生物工程的一个普通部分时，我们将拥有一个技术平台。通过这个技术平台，可以制造我们在大自然中看到的任何物体。未来，生物技术的边界将远远地超出我们今天描述的生物零件和生物过程。
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随着我们扩展自己在利用生物学方面的能力，我们以前被现有经验严重束缚的创造力将逐渐得到释放。当我们突破了现有知识附加在想象力上的限制后，我们将利用生物元件制造出什么来呢？DARPA的另外一个项目能够为我们提供一些线索，该项目旨在利用生物学来改变我们操作无生命物质的方式。
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标准合成化学技术为我们提供了一个分子动物园，这是现代经济的基石。今天很多产品只能通过完全由人类制造的分子来完成。无论是塑料、涂料，还是催化剂，合成化学改变了我们的世界。其实，合成化学只能制造一部分我们想象中的材料，酶却可以让化学制造更多的潜在材料。DARPA希望能够拓展这种能力，通过各种酶的组合来制造1000种以前并不存在的材料。此外，经过一个世纪的努力，我们已经学到了足够的生物、化学知识来设计具有新功能的酶，进一步扩大了可制造材料的范围。
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因此，我们一方面正在努力准确、全面地理解生物学的本质，另一方面，我们正在利用生物技术摆脱之前技术方面的种种限制。除了制造新材料，生物技术也被视为电子系统的重要组成部分，特别是生物技术有可能改变我们存储数字信号的方式。
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从磁盘到DNA
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互联网正在迅速扩张，现有技术将很快无法满足我们对于数据存储的需求。如果继续沿着当前的道路走下去，在未来几十年内，我们不仅需要成指数级增长的磁带、磁盘或者闪存，而且需要更多的工厂来生产这些存储介质以及存放这些介质的仓库。即使在技术上可行，在经济上也不太合适。生物学可以提供一种解决方案。DNA是我们迄今遇到的最复杂、最密集的信息存储介质，甚至超过了磁带或者固态硬盘的理论容量。
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一个装满磁带的大仓库可能会被一块方糖大小的一堆DNA取代。另外，磁带可以保存数十年，纸可以保存几千年，我们在加拿大苔原冻土里面的75万年前的动物尸骸中却发现了完整的DNA。因此，这将推动我们把读写DNA的能力与人类长期保存信息的需求相结合。目前已经有在DNA里面进行文本、图片和视频的编码及检索的相关案例。
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