揭秘“人造生命”的演進：基因編碼和電子工程，都遵循摩爾定律？

以下文章來源于學(xué)術(shù)頭條 ，作者學(xué)術(shù)頭條

計算機編程和基因合成似乎沒有什么共同之處。但根據(jù)辛辛那提大學(xué)教授 Andrew Steckl 的說法，前者在技術(shù)上的飛躍使他對可以實現(xiàn)大規(guī)?；蚝铣珊蜕鼊?chuàng)造持樂觀態(tài)度。

Steckl 和他的學(xué)生 Joseph Riolo 借鑒計算機芯片的發(fā)展歷史和大型計算機軟件平臺作為預(yù)測模型，來了解另一個復(fù)雜系統(tǒng)——合成生物學(xué)的未來。

“沒有一個類比是完美的，DNA 不符合數(shù)字代碼的某些定義，但基因組和軟件代碼仍有很多可比性?！盧iolo 說。

研究人員還表示，計算機芯片的發(fā)展可能會影響合成生物學(xué)的未來。與計算機芯片的發(fā)展相比，創(chuàng)造合成生命很快就會在我們的掌握之中。

相關(guān)研究分析發(fā)表近期的 Scientific Reports 雜志上。

下一個劃時代的人類進步

合成生物學(xué)（synthetic biology），最初由 Hobom B.于 1980 年提出來表述基因重組技術(shù)，隨著分子系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，2000 年 E. Kool 在美國化學(xué)年會上重新提出來，2003 年國際上定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA 分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計與合成。

類似于現(xiàn)代集成型建筑工程，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)、計算生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)一同構(gòu)成系統(tǒng)生物技術(shù)的方法基礎(chǔ)。

根據(jù)相關(guān)研究，合成生物學(xué)有可能成為“繼微電子和互聯(lián)網(wǎng)之后的下一個劃時代的人類技術(shù)進步?！彼膽?yīng)用將是無限的，從創(chuàng)造新的生物燃料到開發(fā)新的醫(yī)學(xué)療法，甚至到合成新的生命。

2010 年，科學(xué)家們將蕈狀支原體的人工基因組移植到另一個細(xì)菌細(xì)胞中，從而創(chuàng)造了第一個由人類創(chuàng)造的合成生物。這個相對簡單的人工基因組花費了 15 年的時間，耗資超過 4000 萬美元。

圖 | 基因編碼與數(shù)字語言的比較（來源：Nature）

在這篇最新研究中，研究人員重點比較了生物基因組和數(shù)字編碼語言在字母、單詞和句子方面的相似之處。不過研究也強調(diào)，DNA 編碼——構(gòu)成基因組的腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶的組合——只講述了基因復(fù)雜故事的一部分，而忽略了表觀遺傳學(xué)之類的東西。

“我們能否將戰(zhàn)斗機或火星探測器系統(tǒng)編程的復(fù)雜性，與創(chuàng)建細(xì)菌基因組的復(fù)雜性進行比較？”Steckl 問道?！八鼈兪且粯訌?fù)雜還是要復(fù)雜得多？如果生物有機體要復(fù)雜得多，那就是代表了有史以來最復(fù)雜的‘編程’，以至于人類很難重復(fù)這一自然過程；也或許生物有機體的基因編碼與 F-35 戰(zhàn)斗機或豪華汽車的代碼復(fù)雜程度相同?！?/span>

圖 | 人類基因組與幾個主要工程系統(tǒng)的復(fù)雜性比較（來源：Nature）

但是，通過使用計算機芯片研發(fā)規(guī)律作為指導(dǎo)，研究人員發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生合成生命的速度和成本，可能會隨著時間的推移遵循與電子產(chǎn)品的性能和成本類似的軌跡。

摩爾定律的啟示

摩爾定律是計算機芯片發(fā)展的預(yù)測模型。它以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人、計算機科學(xué)家戈登摩爾的名字命名，它表明技術(shù)的進步允許晶體管數(shù)量在單個計算機芯片上呈指數(shù)級增長。

自摩爾提出他的理論 55 年以來，我們?nèi)匀豢吹剿?3D 微芯片中發(fā)揮作用，即使與之前的飛躍相比，這些進步在性能和功耗降低方面提供的進步更小。

研究人員表示，自 2010 年以來，編輯基因和合成基因組的成本每兩年大約減少一半，這與摩爾定律所揭示的規(guī)律大致相同。這意味著合成人工人類基因組可能需要花費大約 100 萬美元，而像定制細(xì)菌這樣的簡單生物只需花費 4000 美元。

圖 | 2000-2020 年 DNA 測序的價格和成本（a）；DNA測序的價格/成本比（b）；DNA 合成的價格和成本 (c) 以及與摩爾定律近似值的比較（來源：Nature）

自然物種和軟件工程之間復(fù)雜性的比較清楚地表明，當(dāng)基礎(chǔ)知識可用時，設(shè)計合成生物將是可行的。如果合成生物的成本繼續(xù)以類似于摩爾定律所描述的成本變化速度下降，那么合成具有與在自然生物體中觀察到的復(fù)雜基因組的成本，也很可能在承受范圍之內(nèi)?！斑@種可克服的復(fù)雜性和適中的成本，引起了大家對合成生物學(xué)的學(xué)術(shù)熱情，并將繼續(xù)激發(fā)人們對生命規(guī)則的研究興趣?！?br />
同樣，Steckl 表示，生物工程幾乎可以成為每個行業(yè)和科學(xué)不可或缺的一部分，就像計算機科學(xué)從一門細(xì)分學(xué)科發(fā)展成為大多數(shù)科學(xué)的關(guān)鍵組成部分一樣。

“我看到了計算作為一門學(xué)科如何發(fā)展之間的相關(guān)性。現(xiàn)在你可以在每個科學(xué)學(xué)科中看到重要的計算占比。我在生物學(xué)和生物工程領(lǐng)域看到類似的事情正在發(fā)生。生物學(xué)將無處不在，看看這些事情如何演變會很有趣?！盨teckl 說。

圖 | 消費電子產(chǎn)品和合成生物學(xué)產(chǎn)品的制造流程比較（來源：Nature）

隨著基因測序和合成成本的急劇下降，主要的制造挑戰(zhàn)是用于當(dāng)前項目的人工基因組裝、分離和移植過程。這些過程的自動化可能很復(fù)雜，但總體而言，合成生物學(xué)的制造需求似乎與消費電子產(chǎn)品的制造需求相似。

與精密制造的相似之處表明，預(yù)先進行前期大型工程投資會導(dǎo)致高產(chǎn)量、廉價制造的工藝。而且，合成生物學(xué)還具有自我復(fù)制的優(yōu)勢，如果它可以適應(yīng)當(dāng)代精益制造原則，它還可以具備比精密制造更多的好處。

當(dāng)然，對于創(chuàng)造人造生命，除了能力之外，還要考慮這樣做的負(fù)擔(dān)或道德權(quán)威。Steckl 說，“這不是可以掉以輕心的事情，因為我們可以做到。但這不是我們應(yīng)該做那么簡單，還應(yīng)該考慮哲學(xué)甚至宗教的影響?！?br />
參考資料：
https://www.uc.edu/news/articles/2022/03/how-can-computer-engineering-predict-the-future-of-gene-synthesis.html
https://www.nature.com/articles/s41598-022-06723-5