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1700267097 生命:进化生物学、遗传学、人类学和环境科学的黎明 [:1700264690]
1700267098 生命:进化生物学、遗传学、人类学和环境科学的黎明 14 ENGINEERING BIOLOGY 生物工程
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1700267100 Drew Endy德鲁·恩迪斯坦福大学生物工程教授。国际基因工程机器设计大赛(iGEM)联合组织者。
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1700267102 合成生命的根本目标是使得生物学便于工程化。这意味着,当我想要建造一些新的生物技术时,我不希望这个项目变成了一个研究项目。我希望它是一个工程学项目。
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1700267104 ——《生物工程》
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1700267106 德鲁·恩迪:如何才能让生物工程变得简单呢?回溯几百年前,人们从那时起就想象着可以设计、建造或创造生命,但是没人付诸行动。在20世纪70年代技术快速发展,人类创造出大量技术,比如DNA重组技术,它可以裁剪和粘贴基因物质的碎片;聚合酶链反应,它在70年代就被创造出来了,但直到80年代人们才把它弄清楚;还有弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)在1977年开创的自动测序法。
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1700267108 现在,在生物技术初见成效的30年后,我们只实现了早期前景中的一项。早期承诺的前景是:第一,通过重组有机体创造疗法,生产像胰岛素这样的药物,这一点已经实现了;第二,通过修补我们的DNA去修复基因缺陷,这一点尚未实现;第三,开发出可以修复氮原子的农作物,这样农作物将不用再依赖于复合肥料,这一点也没有实现。这三项伟大的早期前景,伴随着基因工程的开创而展开,我们已经实现了其中一项。
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1700267110 尽管如此,生物技术依然存在着。它对于我们的健康、经济和人类境况有着广泛而巨大的正面贡献。所以,问题在于,我们能否完全实现生物技术的早期承诺?或者说,忘掉之前这个问题:我们怎么才能使得生物学更简单地工程化?这样的话,任何我们想要从生命世界中生产的事物都是可以实现的。
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1700267112 想象一下,你现在15岁或17岁或只有8岁。你是一个有抱负的少年,你像大一新生一样选择专业。在以前你可能会选择生物学、电子工程、计算机科学等作为专业,但现在你可以选择生物工程专业了!你期待学到什么呢?你对学校和教授有什么期待呢?你希望他们能够教给你什么呢?
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1700267114 你看看你那些学习电子工程的朋友们,他们能学习怎样设计和构造计算机,或者编写计算机程序,除了那些已被发现和创造出来的性质之外,他们没有创造出任何新的东西。但是,他们还是如期望的那样表现自己。然后你再看看生物工程,你可能会说:“是的,我想要设计和构造生命体,或者给DNA编程去执行所期待的基因程序。”但是并没人教你怎样去做。
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1700267116 生物技术历经30年的发展,尽管有着那些成功之处,也备受瞩目与夸大,但在生命世界的工程学上,我们依然无能为力。我们做的研究并不肤浅,所以,对我而言,一个大问题是,怎样让生物学更简单地工程化?拿电子学来说,在“二战”期间及之后,人们就利用电子学发明了计算机。冯·诺伊曼在普林斯顿高等研究院建造出了一台漂亮的机器,这台机器的官方目的是,设计氢弹和计算军事设备的轨道。当然,他显然想在上面运行人工生命程序,因为他对这更感兴趣。那是在1950年,就在这台机器出现25年之后,个人电脑Apple I诞生了。
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1700267118 我们能否将生物技术发展成不是一门独家专断的技术,更不是一门需要专家才能操作的技术?我们是否能够创造出多元件整合系统?我们是否能够将生物工程不同类型的工作分开,这样某个人就可以成为设计专家,也有人能成为建造专家,就像我们已有的建筑设计专家和建筑师一样?
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1700267120 一个与上述同等重要的问题是,这种成功的结果是什么?如果你环顾四周,这间屋子里的所有东西都是一个合成的或工程的人造物,甚至为了创造出适宜的温度和湿度,我们呼吸的空气也已被工程化。所有活体中唯一没被工程化的,就是我们自身。在一定规模上这样做的后果是什么呢?生物技术才30岁,它还很年轻,后续还会有很多工作,但是我们要怎么做呢?我们应该不再只是说说而已,而是去实践,真正利用生物技术来改变我们的生活;我们要意识到,生物安全框架并不一定是由民族或国家所主导的工作;我们要意识到生物技术的所有权、分享和创新框架已经超越了以专利为基础的知识产权;还要认识到定义了基因物质的信息比起事物本身更加重要,这样你就从专利权转向了著作权;诸如此类。
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1700267122 所以,缩小范围来说,怎样让生物学更简单地工程化呢?我们怎样做,才能导向有建设性的技术文化呢?也就是就它所带来的后果而言,正面价值是占主导性的吗?
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1700267124 当技术支持的生物工程足以让人像史蒂芬·施德明(Stefan Sagmeister)这样的图表设计师坐下来,并设计出他感兴趣或觉得美好的生命形式时,将会发生什么?我们又会怎样从我们的现状中受益呢?现在我们基本上不过是在庆祝一堆噱头罢了,我们只完成了生物技术初始承诺的1/3而已,还有很多其他我们想象的很奇幻的事物还没有实现,因为在目前看来它们还是太复杂。我们怎样才能将我们设计出来的美丽生命体变成真的呢?
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1700267126 还有解决能量需求的问题。很多人从生物技术的应用端进行投资,这很好。还有很多紧迫的人类需求问题:食品、人类和动物的各种能量、汽车和飞机的液体燃料,你还需要健康保障和医疗,还有环境问题、建筑材料,等等。生物技术令人感兴趣的地方在于,各种应用都令人难以置信地紧迫。
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1700267128 让我们把时间的指针拨回到30年前,那时我们对工具的投资还不足。比如说,你组织了一个团队,试图弄清楚怎样在细菌里制造胰岛素,或者说怎样从细菌或酵母中制造出治疗疟疾的青蒿素酸。这时有人说:“你们为什么不忽略一小部分基础建设工程,再拿出5%的预算,用于能够尽快生产的产品上呢?这样你再做这样的项目就不用花费4千万美元了。而且你下次再做这样的项目时,就会简单得多了。”这种建议的依据在于:如果我们推迟交出产品一天,我们就失去竞争力,或者说,会另有1万人丧命,等等。在一个短时间的范围上,不可能去反驳这样的状况,对吧?
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1700267130 但是如果你放长远来看,不对支撑生物工程的基础投资,生物工程之路就会走得很艰难。我们不得不弄清楚该如何解决那个问题。当你想想能量的问题,这就很重要了。我该怎么看待生物的能量生产呢?这确实是个很糟糕的问题,对吧?我们不想去燃烧过时的燃料。这就像是重要的不可错过的工作一样。当我拿到博士学位时,实验室里接下来要开采的就是纤维素乙醇。如果石油价格上升两倍,纤维素乙醇就会有成本优势。那时是1994年。
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1700267132 我希望生物燃料获胜。但是,当冯·诺伊曼建造早期的计算机被用来计算军用设备的轨道时,他掉入了一个陷阱。事实证明,计算机的功用远远超出了我们的想象,它不仅只可以用于军事应用和记录数据库。但在那时除了少数人之外,没人意识到计算机其他可能的应用。因此,对于现在就去追求任何一个特定的生物技术应用,我都不敢兴趣,因为我想要所有那些应用都能实现,而且是在我的有生之年实现。对此我目标明确,我也很自私。有足够多的人将致力于此,因为这个问题每个人都能理解,而且你也将能为此募集到资源,去进行这一工作。还有一个互补的问题,也是一个本质的问题,就是使生物技术对于所有人都很简单!
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1700267134 合成生命的根本目标是使得生物学便于工程化。这意味着,当我想要建造一些新的生物技术时,不管是用来创造我能吃的食物,还是给交通工具使用的生物燃料,或者我想要治疗某些疾病的药物,我不希望这个项目变成了一个研究项目。我希望它是一个工程学项目。在生物科学里,与你们交谈的人都是科学家,他们不是工程师,我并不是在用傲慢的态度说这件事,而是作为旁观者来说的,其中的问题在于,如果你作为工程师来观察生物技术,你需要做什么来让它便于运转?那就是合成生物学的主旨。
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1700267136 我们可以谈谈在历史上工程师的例子,当他们遇到这类问题时是怎么做的。1860年在美洲,机械工建造了各种东西,比如蒸汽机。机器中所有的螺母和螺栓都是由专门生产的特殊商店才有的。这就是说,如果你在新泽西州的纽瓦克市购买了一台机器,而它在芝加哥市出故障了,你必须把它运回那个专门的商店,那里的机器都有专门设计的工具,这样才能给你修复好机器。
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1700267138 1864年的4月,有人站出来说:“我受够了!”费城富兰克林研究院的威廉·塞勒斯(William Sellers)发表了一篇关于具体部件的体系的论文。他提出了“塞勒斯螺纹标准”,把螺纹顶端设计成60度的角,这比英国人提出的55度角的“惠氏标准”更容易生产。结果就是,最终美国的每一个机器商店都重新设计了螺纹、螺母和螺栓,以符合“塞勒斯螺纹标准”。对今天的影响就是,当我走近一个硬件商店去买螺母和螺栓时,只要不是使用英制或米制的东西,我就能把这两个东西组装好。
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1700267140 这个例子就是工程师所谓的可依赖的物理组成:拿出两个东西,并能把它们组装好。还有就是,当你把螺母和螺栓组装在一起时,螺母会保持固定,不会跑出来。这个组件就具备了一些可利用的功能,但它并没有一些涌现性质。这就是可依赖的功能组合,也就是当你把两个东西组合起来的时候,它们的功能正是你所期望的。而这个标准却被我当作整个生活中理所当然的规则。即使我拥有三个工程学位,我也是直到几年前才知道这一点的,当时麻省理工学院的汤姆·奈特(Tom Knight)向我指出,如果我们拥有标准的生物元件,并可以如我们所愿地组合起来,那就很棒了。
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1700267142 乔治·丘奇一直在强调这一点,但这并非他的专业,他是个遗传学家,他在对自然的生物复杂性进行反向工程。那是一件伟大的事。就像工程师厌恶复杂性一样,我也厌恶涌现性,我喜欢简洁性。我不希望我明天坐的飞机在它飞行的时候具有涌现性,如果你关注遗传科学的话,你会发现它正在研究加密DNA的重要信息,其包含了一项最重要的技术。在DNA测序出现之前,人们一直在寻找变异,并在此过程中,找到它们和DNA特定区域的映射关系。那时人们利用的就是基于简单的逻辑学发展而来的数学。之后,许多伟人们都朝着实现DNA测序技术前进,这一技术使得我们现在可以读取DNA,而这项技术还在不断优化。
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1700267144 在我们的讨论中不能忽视DNA测序的进步所带来的影响,这很重要。在1990年,除了给一些细菌病毒测序之外,没人在其他地方使用这一技术。在1995年的第一个细菌基因组里,研究人员对流感嗜血杆菌进行了测序。2001年,我们就有了人类基因组的草图。在20世纪90年代,我们在测序DNA时说:“我们只会对人类的DNA测序”,到现在,仅仅7年之后,个人基因组项目就在网上出现了,我们是怎么实现这一转变的呢?这并非因为乔治·丘奇、文特尔、埃里克·兰德(Eric Lander)和弗兰西斯·柯林斯在克林顿当政时期变得更聪明了。而是因为,DNA测序技术变得自动化了,足以支持人们去这样做了。
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1700267146 根本的技术进步带来的影响值得铭记,而且一旦成功之后,你就可以忽略一些东西了,就像我希望能够忽略螺母、螺栓、螺纹标准一样。遗传学的变革是对测序技术的回应,利用基因测序技术你可以读取DNA,但我们并不能理解它的含义。现在的数学本质就是模式识别,它可以帮助我们观察很多DNA序列,还可以帮助我们试图找出也许具有重要功能的共同模式。合成技术也将在互联网上出现。
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