有人说生命是非常复杂的，是没有办法理解它到底是怎样成长起来的。而在合成生物学家的眼里，能不能通过建造生命去理解它呢？作为合成生物系统，就是去掉冗余的信息，只留存最基本、最核心的信息，让它产生最核心本质的结构。
出品："SELF格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中国科学院深圳先进技术院合成生物学研究所刘陈立演讲实录：
这个桌面上有很多物品，大家觉得哪一个的技术含量是最高的？或者哪一个设计是最精妙的？
很聪明，是这盆草。因为它不需要太多人为的干预，只要晒一点阳光，浇点水，它就能从一粒种子生长、繁殖，长成这样的一个植株，而且每次都长得差不多。
自然界中丰富多彩的物种，包括我们自己都是从一个细胞慢慢生长、发育变成一个复杂又非常美丽的个体。这个过程不是人类干预的过程，是自然界的演化过程，我们能不能理解它，甚至是掌握它呢？
造物致知
有人说生命是非常复杂的，是没有办法理解它到底是怎样成长起来的？
薛定谔写过一本名为《生命是什么》的书，他说生命其实是有序的，是有法则可依的。朱熹老先生也说过格物致知，所以第一部分内容是造物致知。
费曼先生说只要这个事物我不能造出来，我就不理解。
合成生物学家说能不能通过建造生命去理解它呢？
这些美丽的图案，有斑马的条纹、老虎的条纹，它们是怎样从一个细胞通过生长、发育，形成这样漂亮的图形的呢？如果人类自己去建造、去设计这样的图形，要怎么做呢？
这是北京奥运会时的图片，一种做法是把人排成一排排后，站在固定的位置，然后翻牌。
另外一种做法是大家跑到固定的位置，然后形成固定的形状。这两种我们凭直觉想出来的方法，其实自然界也在用。
例如，这是一个昆虫的胚胎，它的细胞在不同的位置做着不同的事情。
这是另外一个胚胎，它的细胞通过运动形成了特定的结构。
我们要做一个理解自然的系统，去研究它到底是怎么形成这个漂亮和复杂的结构的？因为自然系统非常复杂，它的基因网络有非常多的层次。
作为合成生物系统，我们是不是可以简化它，去掉那些冗余的信息，只留存最基本、最核心的信息，就是让它产生最核心的本质的结构呢？
为了做这件事情，我们再简化一点，我们不用细胞，而采用细菌。细菌非常小，像大肠杆菌只有1微米大（1微米是1毫米的千分之一），要在显微镜下才能看得见。
我们把这个细菌接种在一个培养皿上，这个培养皿差不多10厘米大小，这个细菌会生长，变多，逐渐占满整个培养皿。
如果我们从其他的物种借一些基因，加入一些设计放到这个细菌中，我们再将这样的一个细菌放到培养皿里，它就能够自己生长、发育，变成这样一个条纹的状态。你不做任何人为的干扰，只要把它点在培养皿上，它自己就长出来了。
生物界中还有一个很有意思的问题，这种重复性的条纹的数量是有严格控制的，比如说马的蹄子只有一瓣，犀牛的蹄子为三瓣，人的手指有5个，如果长出6个来就认为是不正常了。所以这个数量是严格调控的。刚才我们看到的这些条纹，能不能调控数量呢？
如果我们再给它改变一个基因，就发现只要调控这个基因的量的多少，它的数量就可以从5个调到2个，或者是1个，甚至没有，非常简单。
还有一个有趣的问题，就是重复结构的大小。长颈鹿的颈椎和人一样都是七块，但它的颈椎比我们长很多，这个长度到底是由什么决定的呢？
我们又改变了一个基因。我们发现只要改变这个基因，条纹或者是重复结构的大小，就能够很容易进行变化。
上述我们从其他物种借一些基因加到一个细菌里，用某种机制，让它得到一个有序结构，能够帮助我们理解背后的普适的原理。
刚才举的例子是单种细胞，也就是单个细菌，它自己形成了条纹的结构。而胚胎，它的细胞有不同的种类，比如皮肤细胞在外面，然后肌肉细胞在皮肤下面，还有骨骼、血管在里面，等等，它总是在不同的位置分布。
作为合成生物学家，我们就在想，怎么让不同的细胞在空间上的不同位置分布呢？假设我有5种细胞，能不能让这5种细胞去生长、运动，让它能够在空间上占领不同的位置，形成外一层、里一层，再到中间这样的位置呢？
我们通过实验完成了，5个细胞点上去，不用理它，它自己就可以生长，然后分布在不同的位置。在这里面我又发现了一个可能普适的原理和规律。
格物致知
前面举的几个例子就是造物致知。格物致知就是传统的生物学，自上而下的，比如发现这片叶子之所以形成这个形状，它背后的基本原理或者是可能的作用机制。
造物致知就是自下而上的，自己设计一个机制，让它长出一个有点像我们自然界看到的那些形状的生物结构。
这有两个启示。一个是自然界中的这些类似结构背后的机制跟我们人脑想出来的，凭直觉自己设计出来的机制，可能是相通的。
第二个启示，我们并不关心自然界，它形成这个结构是因为怎样的原理或者是怎样的机制。作为合成生物学家，我们要造一片叶子，用我们自己设计的机制发现了这个原理就可以了。只要它的结构和功能一样，我们可能就满足了。
再回到这个桌面，我们现在还不完全掌握自然界演化过程的内在规律及其技术，还没办法从头去造出这样一粒种子，让它能够像一棵树或一株草一样，成为自己长出多细胞的生命体。
我们现在的技术能够做什么？我们可以对它进行改造。比如说让它发光，这是现在可以做到的。当然现在可能不够亮，如果够亮，或者我们能够控制它的话，也许我们能够创造一个像《阿凡达》一样的世界。
我们再畅想一下，也许能够把城市中的路灯全部换成发光的树，白天不亮，晚上按一个开关，树就自己亮了，整个城市将节约很多电。
这是一种改造。还有另外一种改造。合成生物学改造生命体常用的就是青蒿素。青蒿素是从植物黄花蒿里面提取出来的，黄花蒿的种植可以说是靠天吃饭，产量不稳定，价格也不稳定。
美国的一位教授把黄花蒿里面的基因放到酵母菌中，酵母菌比前面讲到的那个细菌大五六倍，有5到10微米。他把酵母菌放到发酵罐里，像酿啤酒的方式来酿青蒿素。
可以说黄花蒿大部分的植株是没用的，因为含有青蒿素化学成分的只有一点点。我们就让这个酵母只干生产青蒿素这件事儿，这个事情已经做成了，已经在服务社会了。
最近，我们研究所的一位老师罗小舟，在美国的实验室工作时，做的一项工作是把大麻里面的基因放到了微生物里，让微生物直接生产大麻素这一类的药物镇定剂，像CBD。
下面这位小朋友叫夏洛特，她得了癫痫，每个月要发作300次。但是如果吃了大麻素的有效成分CBD，就会减缓症状，每个月只发作10次。这就是用合成生物学技术来生产这些农业来源的药物的一个例子。
第二个例子，我的好朋友钟超教授在用细菌生产胶水，这个细菌能够不断繁殖，也就是说这种胶水永远用不完，自己会生长，你要用的时候加一点铁离子，它就凝固了，而且在水下面也可以用。
还有一个例子，我另外一个朋友叶海峰教授做的一项工作。图中这只小鼠得了糖尿病，他把一团能够分泌胰岛素的细胞，包裹在一个微胶囊里面，然后把这个微胶囊植入小鼠的腹腔。
小鼠只要喝茶，就能诱导胶囊里面的细胞分泌胰岛素。只要喝茶就等于吃药了。这是最近的一项工作，也是合成生物学在医学上的一个运用。
目前，合成生物学虽然还不能从头去造一个生命体，我们对它的基础原理还不是很了解，只是刚刚起步。但是现有的技术和对生命的理解，已经能够让我们做一些事情，运用在医药、食品、能源、健康等各个方面。
现在国外比我们发展快一些，中国刚刚起步。
可能最厉害的、最佳的合成生命体的设计师就是伟大的中国古代劳动人民，他们设计了龙，龙是鹿脚、狮子头、鳄鱼的嘴巴、蛇身、鱼鳞、虎掌、鹰爪合成而来。
中华民族真是充满想象力和创造力的民族，让我们一起造物致知。
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