乔治·丘奇 （摄影：Mark Ostow）
乔治·丘奇（George Church）的长相让人印象深刻。他身高足有6英尺，有一张方方正正的脸孔，布满了棕银夹杂着的络腮胡须，以及一头厚重蓬松的乱发。自上世纪80年代中期开始，丘奇就一直是DNA测序研究领域中的领军人物。他的众多成就中包括推动和组织了人类基因组计划。要想找到丘奇在哈佛大学医学院的办公室，需要先经过一间实验室。在那里，超过50名研究生和博士后学者们正为了科研而忙碌。丘奇是他们的领导，也是学院计算遗传学中心的主任。我接着又穿过了一间助手们工作的接待室，并最终见到了坐在办公桌前的丘奇。他正趴在一台小型笔记本电脑上，让自己的身形显得越发高大。
最近一段时间，丘奇在科学界的地位也变得非常重要。这是因为他已经成为了合成生物学领域最有影响力的人物之一。合成生物学是一种非常宏伟并会造成深远影响的遗传工程方法，综合了生物学和工程学的知识，可以创造出新的生物实体，制造出从酶到细胞再到微生物的所有东西。丘奇和他的实验室以操纵和合成DNA而著称，他们现在正在帮助其他研究人员改造微生物，生产新的燃油，创造新的医学疗法。当我请丘奇介绍一下合成生物学对人们的日常生活有什么触手可及的影响时，丘奇一下子靠在了他的椅背上，把双手背在头后，对我说：“它会改变一切。因为合成生物学，人们将会变得更加健康，寿命也能延长很久。你完全可以相信这门学科的潜力。”
类似这样充满雄心壮志的言论在合成生物学从业者口中并不罕见。自从12年前丘奇和其他几位研究人员开始把生物和工程结合起来之后，就已经让这门学科在未来“改变一切”成为了可能。这并不不让人感到意外，因为合成生物学的概念正是为了有目的地构建生物DNA，并让改造后的生物可以完成在自然界中不能完成的任务。尽管早在1970年代就已经有遗传工程的应用了，但是此后的一系列技术进步让整个领域发生了根本性的变化。得益于迅速降低的解码和合成DNA的价格，计算机运算能力的巨大进步，以及大量涌入生物实验室的工程师和计算机科学家，现在我们已经可以快速而彻底地改造生物的基因了。丘奇表示，技术将最终让所有的领域都能获得突破：我们可以重编细胞，制造出的新细胞可以用来替代患病的组织和器官；还可以创造出新型微生物，高效地分泌油料和其他化学物质； 更可以设计出DNA开关，在病人的体内开启合适的基因，防止动脉阻塞。
尽管合成生物学的很多应用离实际还很遥远，但是丘奇却确实有办法相对简单地完成他的设想。其实，并不难看出他的态度为何如此乐观。计算机中的摩尔定律精确地预测了芯片性能大约每两年就会翻倍，而根据丘奇的计算，解码DNA和合成DNA新链的成本正以摩尔定律5倍的速度下降。从事合成生物学工作的研究人员常爱用计算机领域的内容打比方，用他们的话来说，阅读和编写生命源代码的工作，正成倍地变得容易起来。丘奇表示，潜在的技术趋势让研究人员可做的实验种类呈爆炸式的增长，这在几年以前是不可想象的。
到目前为止，科学家们已经证明，很难把合成生物学成为一种实用的技术，生产包括便宜的生物燃油这样的产品。他们发现“生命的密码”的复杂程度远远超出了10年之前任何人的想象，很难被破解。更为重要的是，虽然重写DNA的工作比以前要更加容易，但是相要写对却很困难。研究人员和企业家可以哄骗细菌，让它们产生很多有用的化合物，但是却很难做到优化整个过程，让微生物有效地大量生产产品，并和已经商业化的产品竞争。
丘奇是一个个性坚强的人。在57岁的那年，他从癌症和心脏病的魔掌中挣脱了出来。他还患有阅读障碍（dyslexia）和发作性嗜睡病（nacrolepsy）。在我拜访他之前，他的同事曾预先提醒我，他可能会在采访过程中睡着，让我不必惊讶。然而，他创办和接受咨询的创业公司足有50多家。而且他在我们谈话的过程中始终保持清醒，看起来也很兴奋，向我描述着他的实验室如何利用快速测序法和其他工具，极大地加快了合成生物学的进步速度。丘奇的实验室正在同时进行多个项目。其中的一个项目发明了一种新技术，可以迅速地合成新的DNA片段，并同时将其引入到细菌的基因组中。研究人员曾经做过一个实验，在一天内制造出了4百万个基因组各不相同的大肠杆菌品种。三天以后，他们发现一些大肠杆菌品种生产的所需化学物质增加到原来的5倍。
根据丘奇的解释，研究的目标是从不同的变异体菌种中找到“偶然出现并可能有用的怪物，就像进化在过去的数百万年间所做的那样。”他还补充道，实验室中的研究模拟了大自然在过去亿万年间发生的事情。他将极大地增加发现新型微生物，并让它们有效工作可能。
不过，从某些角度来看，当研究人员在制造新型有用的生命形式时，也会遇到很多困难。事实上，在过去的几十年里，对基因组的研究让他们明白了一个道理：无论DNA的密码是多么得优雅简洁，以它为基础的生物学却始终如一得复杂，超出了所有人的预料。当我30年前开始报道早年的基因探索时，生物学家经常用还原的方法思考问题—即使是今天他们也经常这么干。每当他们发现了一个和疾病相关的基因时，就能登上媒体的头条。科学家们说，他们相信潜在的新药很快就能让这些异常版本的基因失效，而基因疗法也可以用健康版本的基因取而代之。
早期的生物技术公司采用的也是“一次一个基因”的方法。这些公司会找到可以合成某种蛋白质（例如胰岛素）的基因，随后应用1970年代发明的基因剪接技术，实验人员剪开细菌的DNA，再插入合成胰岛素的基因。正是这一技术，造就了今天的生物技术产业。
然而，也有人讥笑这种方法和真正的工程学毫无关系。詹姆斯·科林斯（James Collins）是波士顿大学的生物工程学家。他说：“对我们而言，这种方法的工程学含量无异于用一个绿色灯泡替换一个红色的灯泡。我们很多人认为，在单基因水平上的工作仅仅是第一步，我们的确需要弄明白人类基因组计划中发现的新基因是如何组成细胞中的网络、信号通路以及作用环路的。比较起来，合成生物学是类固醇的遗传工程。”2000年是合成生物学的元年，詹姆斯?科林斯在这一年参与创建了这个学科。
在一个冬季的雨天，我和科林斯在他位于波士顿大学校园里的办公室见了面。他是一位讲故事的高手，富有热情。他说的故事细节丰富，有很多八卦，很多时候还会跑题。在他46岁的那年，经历了合成生物学的孕育和诞生。科林斯告诉我，在上世纪90年代后期，为人类基因组测序成为了当时最重要的科学，但他和其他一些工程学家觉得自己被忽略了。在那个年代，《科学》杂志似乎每隔一期就在封面文章中欢呼新基因的发现又取得了突破。然而，大量未经分析的DNA数据在计算机的数据库中越积越多，而生物学家不知道遗传组分是如何协同工作的事实也越来越清楚。科林斯说，“我们觉得自己就像糖果店外的孩子，所以我们在想，‘怎么样才能到糖果店里面去？’”
科林斯并没有采用之前常见的分解基因组的方法，他希望建立基因网络，并研究细胞中的生命过程。首先，他建立了一个生物切换器环路。切换器的运作机制包括了两种可能的状态，就好像电灯的开关一样：可以打开或是关上。科林斯和他的同事们用DNA构建了这样一个开关，包含了两个位于细菌基因组相邻位置的基因。当处于“打开”状态时，这两个基因可以产生蛋白质。此外，科林斯还让这两个基因生产的蛋白质互相抑制：如果第一个基因处于打开的状态，会让第二个基因处于抑制的状态，反之亦然。在一些特定的化学物质或热脉冲的帮助下，科林斯可以让细胞在两种状态之间互相转换。
DNA切换器开关很像一个电子晶体管，可以存储单个比特的信息。它还是一个经过工程改造的反馈环路。这样的反馈环路在自然界经常可以控制细胞的生长、分裂和死亡。科林斯说：“可以在生物体之外构建环路的理念推进了合成生物学领域的建立。研究的结果于2000年1月发表。”
此后不久，很多与科林斯的生物开关相似的DNA环路也被合成出来，包括生物传感器、振荡器、细菌计算器，以及其他一些类似的生物装置。研究人员甚至建立了标准生物组件登记册（Registry of Standard Biological Parts）：有7100种不同的DNA结构可供预订。让科学家们兴奋的是，生物学也可以被组合和预测，就好像乐高积木或是计算机程序一样。很多人开始争先恐后地成立公司，希望能够商业化地生产油料、药物和其他产品的技术。
很多研究人员在参照计算机编程的过程中获得了灵感。但是把生物比作计算机的方法仍然过度简化了生物学。目前，很多生物学现象的仍然不能全凭预测。除此之外，科林斯还表示，不少合成生物学的公司现在的目标过于乐观了。
科林斯相信，急于商业化的确是错误的行为。他说：“这些公司把地里的养料全都给吸走了。”他注意到，很多公司已经从大学的实验室里挖走了为数众多的遗传学家。它们“拔掉了我们的种子，所以本应留在学术界内的研究人员现在却在寻找生物工程的新方法。” 科林斯担忧竞相应用新技术的后果是“很快就会有很多生物技术公司的尸体倒在路边。”
即使是乔治·丘奇的公司也没能幸免于难。他在2004年和人共同创建了Codon Devices公司，但随后公司却被迫关闭。丘奇说，他本想让自己的公司成为生物工程业界的因特尔，可以为研究人员提供现成的合成生物学模块，让他们重新设计包括酵母菌在内的生命。然而公司最终却“烧尽了现金”，丘奇叹息道。
丘奇不希望自己最新的公司Warp Drive Bio走上倒闭的老路。这家公司结合了计算机科学、化学和基因工程。这样的结合方式在不久以前还是不可能完成的任务，而如今却已经变成了现实。公司的目标是利用快速DNA测序和合成生物学的技术（其中一些技术是丘奇发明的）对几百万份制药公司收集储存了几十年的环境样本DNA进行检测，并寻找潜在的药物。Warp Drive正在搜索自然界已经编码好的遗传组分，用来合成有用的化学物质。丘奇发明的技术可以复制这些组分，把它们整合到细菌内部，并优化它们的整体性能。这样，细菌就能生产化学物质了，如果一切顺利的话，这些生产出来的化学物质会有新颖而有趣的疗效。
Warp Drive公司于今年一月正式启动，现在只有大约10名员工。公司位于马萨诸塞州剑桥的办公室和实验室也只占了1000平方英尺。不过，这家创业公司获得了一亿两千五百万美元的投资，并已经和法国制药公司赛诺菲（Sanofi）开展了战略合作关系。只要Warp Drive Bio满足了一些条件，就可以选择要求赛诺菲公司以10亿美元或更贵的价格将其收购。去年五月，Warp Drive公司的主要创始人，哈佛大学的生物化学家格雷戈里·韦尔丁（Gregory Verdine）拜访了巴黎。在那里，他做了两个小时的报告，听众包括赛诺菲公司的研究主管伊莱亚斯·泽古尼（Elias Zerhouni）和其他几位员工。他们挤在Verdine的笔记本电脑旁边，听完了报告。随后，两家公司达成了协议。
泽古尼曾是美国国立卫生研究院的院长。他很快就发现了Warp Drive公司想法的新颖之处，即可以从自然界已有的DNA组分中筛选出有潜力的内容。他说：“因为创新能力的缺乏，我们备受困扰。所以为他们提供必需的资源是一件有意义的事情。”
大自然很擅长针对合适的生物标靶创造安全而精确的药品，韦尔丁对此深有体会。他说，在过去的30到35年时间里，有一半研发出的小分子药物是自然界的产物及其衍生物。“让我印象深刻的是，进化在产生了有用化合物的同时，也让这些化合物更适合在人体复杂的细胞系统中工作，” 韦尔丁说，“大自然看起来已经用药物化学家不能理解的办法构造了复杂的药物。”
在Warp Drive实验室外面的一个很小的空房间里，我采访了韦尔丁。实验室是由一个书籍出版社改装而来。如果丘奇和科林斯想要创造出新的合成生物学组建和生物工程学的技术，韦尔丁则希望利用相同的技术来解开自然界构造生命的秘密。根据他的说法，在过去的几十年里，药物研发人员收集了并储存了上万甚至上百万份环境样本，比如地上的污泥和池塘里的浮渣。这些混合物在提取后会被滴到癌细胞上或是细菌培养皿里，用来筛选出有药物潜力的化学物质。然而，整个过程既费力又缺乏目的性。大多数药物公司已经缩减了此类药物研究方法的规模。
韦尔丁决定用搜索DNA的方法来改进药物研发。在DNA测序急剧下降的今天，解码一滴长满了微生物的池水中的全部遗传物质已经成为了可能。韦尔丁表示，药物研发中找到的很多自然药物具有相似的DNA指纹，也就是经常在微生物基因组中出现的成簇基因。他补充说，新方法的诀窍在于，在仔细检查样本的DNA以后，可以定位与合成自然产物相似的基因簇。如果理想的话，这些自然产物还会是之前没有被注意到的新发现。
在鉴定出合适的DNA序列以后，研究人员会用生物工程学的方法，把它们插进细菌的基因组中。这样，药物公司就能生产化学物质，研究潜在的药物。这也是丘奇研发的合成生物学技术重要的地方：把遗传代码转变成实实在在的化合物。韦尔丁说：“我们用了基因组学和信息科学的方法寻找基因簇，但这只是一个信息单位。我们还需要找到对应的分子。合成生物学的任务之一是让基因簇进入生物合成的工场，然后才能产生分子。如果我们没有得到分子，基因簇的信息也就毫无用处。”
用丘奇的话来说，在大自然的储备中寻找有用的东西“既讽刺又有趣”。因为合成生物学的重点是制造出全新的DNA环路，并最终从零开始产生完整的生物体。今天的科学家已经能越来越容易地改变、复制和粘贴DNA，然而他们却仍然难以把DNA组合成任何有用的东西。他们还在编辑自然的代码，并试图从中学到什么。现在看来，大自然还是最优秀的程序员。