第一次，我们在禽流感爆发前就造出了疫苗

▎药明康德/报道

我可以对DNA编辑和编程，就像程序员对计算机编程一样。但我的应用程序不同——它们会生成生命。自我复制的活细胞、疫苗和治疗方法都以前所未有的方式被创造出来。

I can edit and program DNA to do things, just like coders programing a computer. But my apps are different. They create life. Self-replicating living cells and things like vaccines and therapeutics that work in ways that were previously impossible.

演讲实录

好的，我要讲讲关于合成细胞和打印生命。但首先，让我告诉你一个简短的故事。2013年3月31日，我和团队收到一封来自世界卫生组织的电子邮件，告诉我们两名中国男子在感染H7N9禽流感后不久死亡。由于病毒已经开始在中国迅速蔓延，人们担心会造成全球大流行。尽管可以生产流感疫苗并阻止疾病传播，但至少在六个月后才能上市。这是因为目前制造流感疫苗的唯一方法是70多年前开发的、缓慢过时的工艺。

病毒需要从受感染的病人身上分离出来，送到实验室，科学家将病毒注射到鸡胚中，并将这些鸡胚孵化数周，以便开始多步骤的病毒制备，长达多月的流感疫苗制造过程。我和团队收到了这封电子邮件，是因为我们刚刚发明了一种生物打印机，可以立即从互联网上下载并打印流感疫苗。大大加快了流感疫苗的生产方式，并可能挽救数千人的生命。

生物打印机利用我们读取和编写DNA的能力，使生物传送技术成为关注焦点。我是一名生物学家，也是一名用DNA构建工程师。信不信由你，我最喜欢做的事情之一是将DNA拆开并重新组合在一起，这样我就能更好地理解它是如何工作的。我可以对DNA编辑和编程，就像程序员对计算机编程一样。但我的应用程序不同——它们会生成生命。自我复制的活细胞、疫苗和治疗方法都以前所未有的方式被创造出来。

这是美国国家科学奖章获得者Craig Venter博士和诺贝尔奖获得者Ham Smith博士。这两个人有着相似的观点。他们的愿景是：既然所有生物实体（包括病毒和活细胞）的功能和特征都被写入DNA代码，如果能够读写DNA代码，那么它们就可以在别处重建。这就是生物传送的意思。为了实现这一愿景，Craig和Ham设定了一个目标，第一次创建出一个合成细胞，从计算机中的DNA代码开始。我的意思是，作为找工作的科学家来吧，做前沿研究，没有比这更好。

好的，基因组是生物体内的一整套DNA。2003年人类基因组计划是一项绘制人类完整遗传蓝图的国际成就，这项工作的完成引发了基因组学革命。科学家们开始掌握阅读DNA的技术，确定生物体内A，C，T和G的顺序。但是我的工作差别很大。我需要掌握编写DNA的技巧。就像一本书的作者一样，开始写短句或DNA代码序列，但很快变成了写段落，然后是完整的DNA代码小说，为蛋白质和活细胞制定重要的生物学指导。活细胞是制造新产品最有效的大自然机器，占整个医药市场的25％，即数十亿美元。

我们知道，一旦细胞可以像计算机一样进行编程，编写DNA会更加推动这种生物经济。我们也知道，编写DNA可以实现生物传送......从DNA代码开始打印定制的生物材料。作为实现这些承诺的一步，我们的团队开始首次合成一种细菌细胞，从计算机中的DNA代码开始。合成DNA已经商业化。现在您可以从许多公司订购非常短的DNA片段，这四瓶化学品是构成DNA的元素G，A，T和C，公司用它们来为您生成短的DNA片段。

在过去15年里，我的团队一直在开发将这些短片段DNA拼接成完整的细菌基因组的技术。我们构建的最大的基因组包含一百多万个字母。这是小说平均长度的两倍以上，我们必须按正确的顺序放置每一个字母，不能有一个错字。我们通过开发一种我想称为“一步等温体外重组方法”的方法来实现这一目标。

但是，令人惊讶的是，科学界并不喜欢这个技术精确的名称，决定将其称为Gibson Assembly。Gibson Assembly现在是全球实验室构建DNA片段的黄金标准。

一旦我们通过化学合成完整的细菌基因组，下一个挑战就是找到一种方法将其转化为自我复制的活细胞。我们的方法是将基因组视为细胞的操作系统，细胞含有启动基因组所必需的硬件。通过大量的反复试验，我们开发了一种程序，通过将一个细胞的基因组替换为另一个细胞的基因组，我们可以重新编程细胞，甚至将一种细菌转化为另一种细菌。这种基因组移植技术为科学家而编写基因组铺平了道路。2010年，我们一直在开发的DNA读取和写入的所有技术汇集在一起，我们宣布创建了第一个合成细胞，并称之为Synthia。

自从1995年第一个细菌基因组测序以来，我们已经完成了数千种细菌的全基因组测序，并存储在计算机数据库中。我们合成细胞的工作是逆转这一过程的概念性验证：将完整的细菌基因组序列从计算机中取出，并将该信息转换为自我复制的活细胞，具有该物种该有的特征。

现在我可以理解，为什么有人会担心这种基因操纵水平的安全性。虽然这种技术有巨大的社会效益，但它也有潜在的危害。考虑到这一点，在进行第一次实验之前，我们的团队就开始与公众和政府合作，共同寻找解决方案，负责任地开发和管理这项新技术。这些讨论的结果之一是筛选每个客户和每个客户的DNA合成订单，以确保不会为人为或意外制造病原体或毒物。所有可疑的订单都会报告给FBI和其他相关的执法机构。

合成细胞技术将为下一次工业革命提供动力，解决全球可持续性挑战，改变行业和经济。可能性是无止境。我的意思是，你可以想到由可再生生物基质构成的衣服，使用微生物工程制造的生物燃料的汽车，由可生物降解聚合物制成的塑料和定制疗法，就在病人的床边制造。在合成细胞方面的投入使我们成为DNA编写世界的领导者。在整个过程中，我们找到了更快，更准确，更可靠地编写DNA的方法。

由于这些技术的稳健性，我们发现可以很容易地使这些过程自动化，并将实验室工作流程从科学家的手上移到机器上。2013年，我们制造了第一台DNA打印机。我们称之为BioXp。我的团队和世界各地的研究人员都对编写DNA有绝对需求。

发明BioXp之后不久，我们收到了关于中国H7N9禽流感恐慌的电子邮件。一组中国科学家已经分离出病毒，测序并将DNA序列上传到互联网。应美国政府的要求，我们下载了这个DNA序列，在不到12小时内，我们将其通过BioXp打印成功。诺华公司随后迅速开始将合成DNA转化为流感疫苗。与此同时，疾病预防控制中心还在用20世纪40年代的技术，等待病毒从中国送过来，以便开始以鸡胚为基础的研发方法。这是我们第一次，在一种新型流感病毒爆发前就制造出流感疫苗。

我比以往任何时候都更加欣赏生物传送的力量。

当然，考虑到这一点，我们开始建立一个生物传送器。我们称之为DBC（digital-to-biological converter），数字到生物转换器的简称。与从预先制造的短DNA片段开始的BioXp不同，DBC从数字化DNA代码开始，将DNA代码转换为生物实体，如DNA，RNA，蛋白质甚至病毒。可以把BioXp看作DVD播放器，需要插入DVD碟片，而DBC则是Netflix。为了构建DBC，我的科学家团队与软件和仪器工程师合作，将多个实验室工作流程集中在一个盒子中。这包括用于预测DNA构建的软件算法，将G，A，T和C连接成短链的化学技术，Gibson Assembly将这些短链拼接成更长的片段，以及将DNA转化为其他生物分子，如蛋白质。

这是产品原型。虽然它不漂亮，但它很有效。它能制造药物和疫苗。曾经花费数周或数月的实验室工作流程现在可以简化到在一到两天内完成。这一切都没有任何人为干预，只需要从世界任何地方发送的电子邮件激活。我们喜欢将DBC与传真机进行比较。但是，传真机接收的是图像和文件，DBC接收生物材料。现在，回顾一下传真机的发展历程。与今天的传真机相比，1840年代的传真机原型也无法辨认。在20世纪80年代，大多数人仍然不知道传真机是什么，他们很难理解在世界另一端即时复制图像的概念。但是现在，传真机所做的一切都集成在我们的智能手机上，我们认为这种快速的数字信息交换是理所当然的。

这就是我们今天DBC的样子。我们可以想象DBC以与传真机类似的方式发展。我们正在努力减小仪器的尺寸，我们正努力使基础技术更可靠，更便宜，更快速，更准确。在合成DNA时，准确性非常重要，因为对DNA字母的单一更改可能导致药效或细胞存活的差异。

DBC将用于从DNA开始的药物分布式制造。世界上的每家医院都可以使用DBC为床边的病人打印个体化药物。我甚至可以想象，有一天人们可以让DBC连接家用电脑或智能手机，作为下载处方的手段，例如胰岛素或抗体疗法。DBC在世界各地也具有价值，可以快速应对疾病爆发。例如，佐治亚州亚特兰大的疾病预防控制中心可以向世界另一边的DBC发送流感疫苗说明，流感疫苗就在前线制造。这种流感疫苗甚至可以专门针对在当地流行的流感病毒株。这样通过数字文件发送疫苗，而不是运输相同的疫苗，有望挽救数千人的生命。

当然，应用远超想象。不难想象将DBC放在另一个星球上。然后，地球上的科学家可以将数字指令发送到DBC来制造新药或生产氧气，食物，燃料或建筑材料的合成生物，使地球更适合人类居住。

由于数字信息以光速传播，将这些数字指令从地球发送到火星只需要几分钟，但在航天器上通过物理方式传送相同的样本则需要数月时间。但就目前而言，我会更希望在全球范围内、全自动化、按需传递新药，随时应对新爆发的传染病造成的生命损失，并为那些没有时间等待新药上市的患者打印个体化的抗癌药物。

谢谢。

▲生物学家Dan Gibson编辑和编程DNA，就像计算机编程一样。但他的“代码”创造了生命，使科学家有能力将数字信息转换为生物材料，如蛋白质和疫苗。

注：图片来源TED视频