人们一直致力于认识、改造和设计生物系统。一个古老的典型例子就是对于狗和农作物的驯化和育种，在此过程中，数以亿计的DNA碱基对所构成的基因系统（狗和农作物的野生祖先）发生定向变化，最终按照人类的预期产生了相应的功能和表型。上世纪50年代，DNA被确认为生物过程的遗传基础。从那以后人们就意识到，对于改造和设计生物系统来说，操作特定DNA序列进而操控特定生物过程是比传统的驯化和育种更为有效的手段。从上世纪70年代开始，人们合成、组装和测序DNA序列并将其用于生物功能改造的能力不断增强，特别是合成和测序DNA的能力。如果按照每单位价格成本所能合成的碱基数目作为指标来看，其趋势以接近于摩尔定律的方式增长。^[1]近些年来，人们已经利用化学方法从头合成了细菌和老鼠线粒体的全长基因组DNA，并将其植入相应的细胞。最近的一项研究工作中，一个国际研究团队甚至成功合成了真核生物芽殖酵母的一条染色体，并且使其发挥正常的生物学功能。

然而，尽管人们已经能在基因组水平对DNA进行操作，但是在功能层面上，目前的成就还大多局限在对于细胞内源固有功能的重现（recapitulate）和轻度改造上。人们逐渐意识到生物系统是极其复杂的，其内部成分是高度相互关联的，进而导致人们对于生物系统的解读往往非常困难，针对生物系统的设计与深度改造更是具有史无前例的挑战性——即使是设计最简单的生物系统，都可能会超出当前的理论与技术极限。因此，如何编写DNA序列进而设计生成新的生物系统，目前还是科学界的一大难题。

针对这一难题，“合成生物学”应运而生。合成生物学是一门综合学科，意在以传统生物学获得的知识与材料为基础，利用系统生物学的手段对其加以定量的解析，在工程学以及计算机的指导下设计新的生物系统或对原有生物系统进行深度改造。合成生物学的奠基者之一，美国斯坦福大学的Drew Endy教授曾提出，标准化（standardization），去耦合（decoupling）和模块化（modularization）是合成生物学的重要原则，^[2]这一认识在学界内部得到广泛肯定。通过标准化，设计和改造生物系统所需的生物元件得以界定，其功能得以刻画和抽象化；通过去耦合，人造生物系统的复杂性，包括生物元件之间的相互作用得以规范化，从而最大程度上降低了人造生物系统出现故障的可能性；通过模块化，人造生物系统的复杂功能可以被拆解为功能上相互独立的模块，每个模块可以进而被拆解为对应的生物元件，从而为生物系统的设计与组装提供理性指导。因此，在过去的15年里，合成生物学显示了巨大的潜力。从早期简单的，仅包含两三个基因的扳键式基因开关（genetic toggle switch）到最近报道的，包含十数个基因的复杂基因程序（genetic program），合成生物学已经设计出上千个生物系统以赋予细胞各种崭新的生物学功能。

尽管取得了上述成就，但是同其他新兴的科技领域一样，合成生物学仍然面临着两个方面的重大挑战：一个是学科自身理论与技术体系的欠完善，另一个是技术扩散所带来的安全问题。前者决定了合成生物学未来的发展道路，后者代表着合成生物学发展所带来的社会风险。

19世纪，化学家们凭借着不懈的努力积累了大量的有机化合物的转换知识，但是哪些化合物是可能合成的，哪些是不可能合成的，某种特定的化合物的合成路线如何，那时大家只能是各显神通；成功是偶尔的，绝大多数的实验都以失败告终，这导致早期的有机反应及应用往往都是意外发现。真正带来有机化学全面增长的，是19世纪末20世纪初相继提出的结构学说和构想分析理论以及由此催生出的电子理论和机理学说等。目前合成生物学的阶段，类似于19世纪的有机化学。合成生物学的理论体系尚处于萌芽阶段，对于如何定义“合成生物学”尚存在巨大争论。从学科的研究对象来看，合成生物学所研究的问题相当宽泛，既包括传统的代谢发酵、蛋白质工程、生物燃料、组织工程和医疗等，也包括生物安全、基因工程、生物材料、人工基因线路和人造生命等当前热点。从研究的技术手段来看，研究者们分别试图以DNA合成、蛋白质设计、细胞外生物反应体系、体内遗传操作和理性网络设计为技术核心来开展合成生物学研究。因此不难理解，虽然研究者们都认同合成生物学的核心思想是基于标准化的生物元件设计新的生物功能，但关于合成生物学的任何具体阐述都充满争论。例如，不同研究者对于“标准化”的阐释在结构、功能、描述、度量和信息交换层面都有着诸多侧重和冲突。

不过令人欣慰的是，近几年来合成生物学各个分支领域内部均取得了诸多进展。如代谢发酵领域，美国加州大学伯克利分校的Jay Keasling教授领导的合成生物学团队成功设计出能够生产抗疟疾特效药“青蒿素”前体的酵母细胞；在人造生命领域，美国哈佛大学医学院的George Church教授领导的团队实现了对细菌基因组密码子的重编排；在基因工程领域，美国哈佛大学尹鹏教授和波士顿大学的James Collins教授所领导的合作研究组甚至基于DNA折纸术和人工基因线路开发出了用于检测环境中埃博拉病毒的试纸，这些进展都是合成生物学的研究者们融合协作的成果。因此可以乐观的说，合成生物学的各个分支已经具备了整合起来形成特定理论范式的条件。

在技术层面上，合成生物学仍然无法可预测性地设计复杂的基因线路。在设计生物系统的过程中，合成生物学家发现了一个残酷的事实：即使是大肠杆菌这样可能是人类了解最为透彻的模式生物，其活细胞内部的基因调控过程仍然是异常复杂的。因此，尽管人们在电子工程和计算机中所掌握的技术知识对于合成生物学来说有很大启发性，但面对具体的生物系统它们所能提供的指导远远不够。在电子工程里，在使用晶体管前我们不必对晶体管在每种工作环境下的行为进行刻画，因为晶体管的行为是环境稳定的；也不必对晶体管与其他电子器件组合起来以后的行为进行刻画，因为不同的电子器件之间是完全模块化的。然而，在当前的合成生物学中，我们必须对于每个基因元件在各种工作条件及元件组合中的行为进行表征，因为人工基因线路是在活细胞中工作的，其不可避免的会与细胞内部成分以及特定的细胞环境相互作用。倘若无法可预测性地设计基因线路，虽然简单的生物学功能仍然可以通过突变-筛选的试错方式把简单基因线路的功能实现，但想要设计一个复杂的生物学功能却是极端困难的。针对这一困境，合成生物学家们做出了许多努力：一方面，力图开发与既有生物系统在功能上“正交”的生物元器件库，用以消除人工基因线路与宿主活细胞发生未知相互作用的可能；另一方面，研究生物元件之间的可组装性，更加系统和细致地加工生物元件与元件之间的物理接口，以规范化（formalization）基因元件在不同人工生物系统和各种活细胞环境中的行为。这些努力都为合成生物学带来了巨大改观，目前合成生物学已经能够实现可预测的设计简单的基因线路。

但目前取得的进展还不足以支持针对生物系统的大规模、基因组水平的从头设计或可预测的深度改造。这一方面是由于人们对于生物系统尚无系统的、定量的表征手段。合成生物学的奠基人之一，美国波士顿大学的James Collins教授就曾多次表示，对于生物元器件背后具体生物过程进一步的功能解析和模型刻画对于人工基因线路的规模放大（scaling-up）来说是必不可少的^[3]。另一方面，合成生物学所采用的生物元件其工程加工的方式和对象还有待探索。在经典的工程学领域，天然材料如硅石是需要经过加工提炼才能被使用的，可以被用于工程学的材料也需要满足特定材料物性，并不是任何一块矿石都可以用于工程加工。同样，合成生物学中所使用的生物元件来源于天然的基因材料，所谓“元件”即是对天然基因材料进行工程加工的结果。因此，哪些天然基因材料可以应用于合成生物学的设计，如何衡量各种天然基因材料的“可用性”，以及针对各类型的天然基因材料采取何种工程加工方式，是合成生物学未来十年需要着力解决的一系列重大基础问题。

合成生物学展现出的巨大潜力举世瞩目。2004年美国麻省理工学院出版的Technology Review将合成生物学评为将改变世界的十大新兴技术之一；^[4]英国《自然》杂志于2007年以“合成生物学：设计生命”（Synthetic Biology: Design for Life）为题刊文，认为人类已经进入了“为了某个实用目的而进行基因组工程改造”的时代；^[5]美国生物经济研究协会于2007年发表的报告甚至认为，未来合成生物学技术将会比重组DNA技术发展更快。必须注意到，在新技术蓬勃发展的时候，出于乐观和兴奋，许多研究者和相关专业人员都倾向于认为新技术是可控的，其扩散是可以预计的。然而，成瘾化合物合成技术与核技术的历史已经告诉我们，我们必须警惕新技术可能带来的社会风险。与此二者相比，合成生物学带来的社会风险甚至更大。

首先，合成生物学的技术对象是活着的生命，而生物系统具有自我繁殖、突变进化等非生命系统所不具备的特征，因此与传统的工程系统相比，我们对于生物系统更加难以控制。如果我们要给细菌设计一个崭新的代谢通路以生产新的药物，那么此代谢通路有可能在细胞内无法长时间稳定工作，因为进化的压力会使得细菌的遗传成分发生难以预期的变化。然而，如果我们赋予病原菌或者病毒新的基因，进化的压力反而更有可能筛选出致病性更强的病原。因此，在“趋利”和“避害”之间，合成生物学“避害”的作用更为明显。2005年，美国疾病控制中心根据基因序列合成了曾于1918年爆发、造成全球大约2000-5000万人死亡的西班牙流感病毒。2013年，中国农业科学院哈尔滨兽医研究所等单位在《科学》杂志上报道了通过将H5N1禽流感病毒和甲型H1N1流感病毒重组，构建了127种重组病毒，重组后的某些病毒具备通过空气（气溶胶）传播的能力。尽管这些可传播的病毒对实验对象豚鼠不致命，相关研究人员也严格遵守了涉及到病原体的安全处置措施。但是可以预期，在基因合成的成本以摩尔定律下降的趋势下，以天然病毒基因组为参照，将来私自合成一个新病毒不会是一件难事。其次，受到工程学和计算机科学的影响，合成生物学相比生命科学的其他领域更加注重技术标准的兼容性和数据、材料的共享开放。这些对于合成生物学早期的急速发展来说是关键的催化因素，但是随着合成生物学的成熟与扩散，兼容度高的技术标准与开放的材料与数据资源会带来一定的社会风险，特别是考虑到利用合成生物学技术制造病毒等可能的情况。

因此，传统的公共卫生与传染病防治政策已经不足以应对当前合成生物学被不恰当利用所可能造成的社会威胁。规避合成生物学的社会风险需要的不仅仅是合成生物学研究者的自律，还需要相关领域专家的广泛参与。合成生物学应该大力发展，但也不应不受约束。不久前美国政府叫停了一项通过改变病原体使其更具传播性或致死性，以便专家根据相关风险制定政策的研究项目，此外还要求少数正在进行此类研究的研究人员自发中止。这可视为规避合成生物学社会风险的一个重要举措。

然而我们需要同时注意到，合成生物学的设计能力同样也可以用来帮助规避生物技术扩散带来的社会风险。在最近报道的一项研究工作中，研究者利用合成生物学的方法改造HIV病毒，使其复制过程对于外源的人造化学分子产生绝对依赖，而不能在正常的细胞中复制。这项工作成功规避了传统疫苗制备手段中减活病毒恢复其毒性的可能，可被视为合成生物学有助于生物安全的一个重要案例。因此，可以预见，未来合成生物学的一个重要分支就是研究如何设计生物系统以规避合成生物学与基因组工程等生物技术带来的生物安全问题。

综上所述，合成生物学在过去的15年中呈现巨大潜力，其理论与技术体系正处于不断完善之中，其工程对象正逐渐从简单的生物线路向复杂的、基因组水平的生物系统发展过渡。在达成应用目的之外，合成生物学同样揭示了生物系统的高度复杂与高度互作的属性，正如著名物理学家Richard Feynman所说，“如果我不能创造一个东西，那么我对它的理解也必然不够” （What I cannot create,I do not understand），合成生物学着力实现的标准化、去耦合、模块化等工程目标，也将进一步加深人们对于生物系统的认识。但同时，如何避免合成生物学技术被不当使用，规避该技术带来的巨大社会风险，考验的将不仅仅是合成生物学研究者，也同样考验着法律法规、政策制订、伦理研究等相关领域的专家。