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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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政府和公司都看到了这个机会，提供资金来支持相关的基础研究，如提高DNA合成与测序的速度。为了与传统的磁带驱动器竞争，单个“DNA驱动器”必须每分钟能读写大约相当于10个人类基因组的信息，这是目前全球每年DNA合成需求的10倍以上。鉴于人类对于DNA存储的需求如此之大，如果其价格合适，那么将彻底改变读写基因信息的市场格局。目前，该市场的规模只有数十亿美元，处于生物技术市场的边缘，同时，其带来的巨大应用潜力也将改变我们的生活。生物技术的这种非传统应用的影响将随着时间的推移越发显现。
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牛奶工厂和生物经济
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来看看发酵业的生产潜力，这是生物学与过程工程（process engineering）相结合的行业。啤酒酿造无论是在技术上，还是在经济规模上，都分为不同的等级，例如，从跨国巨头每年生产数百万升到街角小作坊的几千升精酿。这种产业结构表明分布式的生物制造业可以与集中的生产互相竞争，这与经济规模会越来越大的观念相悖。此外，综合性的石油公司需要数百亿美元才能运转，发酵行业的公司可能只需要几千美元的基础设施投入，就可以正常运转。
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通过调整这个生产平台中的生物部分，我们可以瞄准有利可图的市场。啤酒的主要成分是水，每升最多值几美元，而微生物可以产生每升价值数万美元的分子。2012年，生物技术行业为美国经济贡献了1050亿美元，其中至少有660亿美元来源于已经在全球市场取代石油化工产品的发酵生物化学产品（这里面不包括2012年为美国GDP贡献了100亿美元的生物乙醇）。另外一个需求是，制药行业正在从类似抗生素这样的超小分子化学合成药物，转向生物合成。这样可以节省资金，减少废水和碳的排放。越来越多的包含生物和非生物的生产系统将满足人类飞速增长的针对可再生化学品的需求。
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农民已经在乳业日常运作中尝到了挤奶机器人的甜头。奶牛和机器人组成了一个极具生产效率和赢利能力的综合系统。全球有超过25000个这样的系统正在运转。奶牛能够很快学会在固定的时间去挤奶牛舍，在这里它们的身体状况以及产奶量能够被脖子上的电子标签跟踪，形成了“奶牛的互联网”。重要的是，奶牛也能从这种系统中受益，可以减少兽医的检查次数并生产更多的牛奶。联网的奶牛把吃下的食物加工成有价值的物质，然后自动地运往一个集中的地方让人们进行收集。
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这里的关键点是，就像酿造啤酒一样，自动化的奶牛场是一个非常高效、灵活且分散的制造系统。这种整合已经持续了几十年，牛奶的总产量几乎翻了一番，而“奶牛队”的规模却减少了一半。
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现在假设这些“过剩”的奶牛不是被用来产奶，而是用来生产燃料或者化工品，那么这个生产量将相当于美国2017年可再生能源的使用量，或者美国汽油总需求量的17%左右。
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根据目前的计划，完成这项任务需要投入大概1700亿美元，用来建造数百个假设中的“综合生物精炼厂”（integrated biorefinery）。相比之下，目前美国的全部奶牛价值大概为200亿美元，在这个数字上我们再加100亿美元用来研究如何利用奶牛生产燃料和化工品，我们还需要超过1000亿美元的资金。
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其实，开发成本可能会更低，因为我们不需要像对奶牛进行生物工程那样把产品送到机器人挤奶仓。我们可以建立包含工程化微生物的发酵系统，微生物消耗复杂的有机原料并生产有价值的化学物质，这些生物化工产品一直都比石化产品更具竞争力。同时，我们即将拥有使用轮子或者腿来行动的自动机器人。把这些技术结合在一起，将彻底改变我们管理资源和组织生产的方式。
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你好！机器牛
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