合成打造參透生命（Synthetic life）

合成打造參透生命（Synthetic life）
知識通訊評論第99期

合成生物學在美國引發爭議

傳統觀察生命現象的生物學家，現在開始以工程師的思維面對生命，發展組合生物元件並統合功能的合成生物學，以期揭露有機體生長、運作的機制。

今年凡特（Craig Venter）「創造」出生命的大新聞，以及美國總統歐巴馬的生物倫理委員會，對於合成生物學所造成之前景與危害的相關報告，使得這個領域最重要的衝擊影響，變得渾沌不明。合成生物學重新定義了生物學這個學門，幫助人們更深刻的理解生命是如何運作的。

傳統上，生物學家是想要瞭解現有的生命。然而從幹細胞重編，到微生物工廠，研究者逐漸開始描繪生命是什麼，也探索能做什麼。類似的轉變也發生在物理與化學，特別是在十九世紀。跟生物學一樣，這些研究領域一度把重點放在解釋觀察到的自然過程或物質，像是行星運動或是「有機」分子。如今他們在半導體以及合成有機分子，這些自然與人工的系統中，研究可為或不可為的物理與化學原理。

將生物學從一個將重點放在自然有機體的學門，拓展到把潛在有機體也包含在內，會有三種長期效應。首先，這會讓生物學家的社群擴大，將工程師這種有著不同假想與目標的研究者，也一併囊括進來。

再者，這會改變科學家處理生物系統如何運作，這類基礎問題的方式。反向與正向工程方法的整合，可以讓生物學家超越在特定模型系統裡的觀察，能夠揭露能解釋、統一並類推那些機制的根本原理。最後，這會給生物學教學提供新的概念基礎，一種奠基於鼓勵學生提問，思考生物元件與模組如何能夠用於複雜功能的概念基礎。

超越自然，合成生物學的研究超越了現存生物系統

雖然傳統學門的界線正在消融，然而科學家與工程師之間的文化差異仍然屹立不搖。對生物學家來說，遺傳修補是瞭解自然系統的工具，而不是研究的目的本身。因此，讓生物系統變得「可工程化」，這個合成生物學工程師的目標，對生物學家似乎沒什麼意義。

許多生物學家覺得很奇怪，為什麼工程師無法欣賞那些自然發生，複雜、美麗而又精緻的巧琢天工。不過生物學家也同樣讓工程師感到困惑不已：為什麼他們對於一個特定系統的細節如此著迷？為什麼他們就是無法瞭解，用比較簡單、比較模組化、比較容易預測的替代方案，來代替複雜特異的系統，其價值之所在？這些誤解會產生不少有意思的對話，但也可能讓雙方無法互惠合作。

生物學家與工程師必須瞭解，他們的方法是相輔相成的。撇開表面的歧異不談，雙方其實擁有共通的利益與目標，無論是從正向還是反向工程而言，都可以也必須要予以處理。

相同的挑戰

傳統的生物學家尋求在自然生物系統中，進行反向工程的方法，藉此瞭解如何由互動的基因與蛋白質組成的分子電路，導致了觀察到的行為。合成生物學家則似乎反其道而行，他們利用瞭解透徹的遺傳部件，來前向工程出新的行為，儘可能將事情弄得像是經過設計一樣簡單。雙方所面臨的是同樣艱鉅的挑戰：要將細胞或組織內的基因迴路構造，與其整體行為串連起來。

單單利用傳統的自然系統擾動分析，很難或根本不可能獲得自然迴路的設計原理，合成迴路卻能夠為此提供一些洞見。以訊號發送來說吧，生物學家發現有一些典型的傳導路徑，是跨物種、組織種類以及生長階段，反覆不斷被利用的。這一組傳導路徑是怎麼樣足以讓複雜的有機體，能夠進行生長與生理功能？要探討這個問題，就需要瞭解每一條傳導路徑能夠做什麼。

合成生物學家能夠有系統地，設計出各式各樣的傳訊路徑構造，然後分析從任何特定下游過程組合中，相對分離出來的傳訊路徑構造。這些構造可能包含自然構型，也包括新的構型，其結果可提供一種以更高階的角度，觀看訊號發送的方式，人們可藉此將每一條傳導路徑與構造，用一種特定的功能系統連在一起，而不是只是以分子互動的模式來思考。

合成化學能提供互補做法的第二個例子，是這個研究領域裡最活躍的前衛主題之一：代謝網路。生物學傳統上把注意力集中於瞭解特定有機體的代謝傳導路徑，合成生物學則讓研究者得以考慮，將所有物種的酵素結合之後，可能形成哪些種類的代謝網路。這類研究著重於設計出可製造特定分子，以用於醫藥與產業上的新奇代謝路徑。這些研究也努力在理解基礎生物學的問題。舉例來說，在代謝效率與彈性之間，存在著什麼樣的交換關係？細胞建構其代謝經濟體，合成、分配關鍵化學前體，有沒有什麼基礎原理可言？要瞭解天然微生物裡的代謝網路多樣性，以及像癌細胞這種在生醫上很重要，其細胞會改變代謝機能的問題，這都很重要。

合成生物學的做法，對發育生物學也能提供洞見。這些做法可用於解決，哪些種類的多細胞圖式過程有可能形成，以及結合發訊、調節、分化與變態等功能，哪些種類的迴路足以編出有機體型態，這些基礎問題。

利用特點明確的發訊路徑、轉錄因素、以及細胞形態與分化的調節子，就有可能探索各種自然與非自然的發育迴路結構。這可從非常簡單，從其他最簡單系統中的其他發育過程中，相對分離生成的樣式開始著手。合成發育系統最終應可讓我們對於形態編製，有更深刻的瞭解，為自然發育系統提供洞見，也許還能應用於設計組織上面。

將工程學與生物學結合於一體，可為生物學教育帶來令人興奮的新方法。著重於瞭解現存生物結構、機制與起源的傳統生物學，似乎離不開記憶術語與事實。在某些情況下，這種做法會使得統合原理與概念，變得模糊難解。

學生動手操作實驗，可讓他們更加具備多學門研究的能力

相反地，老師可以開始用這個問題來挑戰學生，「你們要怎麼建構一個生物系統，來執行某個特定功能？」還可以要求學生演繹出潛在的設計原理，比方說辨識出可在細胞內執行某一行為，所需要或足以達成目的的一般類型迴路模組。學生因此就會具備組織化的概念，較能橫越自然生命系統裡，令人困惑的術語大海。理想設計與實際範例之間的不一致，會引發關於假定功能，以及演化過程先天限制的重要問題。在物理學與工程學中，這種做法是家常便飯，能夠有效啟發學生，吸引其注意力。

這類概念可以用於對動植物的潛在機制，剛開始有更深刻思索的青少年學生身上。要求學生思索理論、動手計算與操作實驗，可讓他們更加具備多學門研究的能力。這也能讓他們很早就暴露在科學過程的概念與創意之中，並潛在的吸引更多樣的人來研究生物學。

在合成生物系統的設計與建構成為常規之前，還有許多技術上與基礎上的阻礙。如同生物倫理委員會的報告中所言，社會性的挑戰可能也同樣艱鉅。將以不同方式思考生物難題的各方人士，其精力與專長結合在一起，是充分運用眼前諸多機會，成功的第一步。

（本文為美國加州理工學院生物學家艾洛威茲(Michael Elowitz)及加州大學舊金山分校細胞分子藥理學家林姆(Wendell A. Lim)在二○一○年十二月十六日《自然》雜誌的專文）