介紹

我每天都會問自己幾個問題：我們?nèi)绾勿B(yǎng)活 100 億人，而不在我們曾經(jīng)擁有農(nóng)場的地方造成沙漠？我們?nèi)绾尾拍艽_保我們不會全部死于疾病，而又不將健康僅限于那些買得起奢侈品的人？我們?nèi)绾尾拍軘U大制造業(yè)產(chǎn)出，讓全球更多人享有更高的生活水平，同時減少對生態(tài)的影響并阻止氣候變化？對我來說，這些都是 21 世紀的大問題。他們都有生物技術的答案。唯一的問題是，今天我們創(chuàng)建生物技術答案的速度不夠快，無法滿足我們對解決方案的巨大需求。這就是我們需要 Synbio Stack 的原因。我們需要一個技術生態(tài)系統(tǒng)，使人類構建生物技術解決方案的能力提高一百甚至一千倍。本文介紹的是該生態(tài)系統(tǒng)——正在創(chuàng)建的“技術堆?！保鼘椭覀儎?chuàng)建所需的拯救世界的生物解決方案。

什么是技術棧？

“堆?！笔且环N技術組合，可以使巨大的復雜性變得易于管理。他們將大型系統(tǒng)的各個部分分成“抽象層”，從而掩蓋了一些復雜性，因此設計人員可以專注于當前需要設計的部分，而無需考慮所有其他復雜的部分。 Stephen Wolfram 在 1986 年闡述了這個想法：

“系統(tǒng)的組件應該以某種形式的層次結構進行排列。層次結構中較高的組件應該為層次結構中較低的組件集提供總體控制，這些組件可以被視為單個單元或模塊。這一原則對于軟件工程至關重要，其中模塊通常是子例程。在生物學中，器官和特定身體部位的存在也體現(xiàn)了這一點，顯然是通過遺傳密碼中類似子程序的結構來反映的?！?——復雜性工程方法（Stephen Wolfram，1986）

對于像具有數(shù)十億個晶體管的 CPU 或具有數(shù)萬億個分子的細胞這樣復雜的東西，以這種分層方式組織事物對于任何類型的工程工作都至關重要。沃爾夫勒姆繼續(xù)說道：

“模塊化的一個重要方面是它使抽象成為可能。一旦特定模塊的構造完成，該模塊就可以被視為單個對象，并且無論該模塊出現(xiàn)在何處，只需要考慮其整體行為。因此，模塊化將構建或分析系統(tǒng)的問題分為多個級別，從而有可能使每個級別都易于管理?！?——復雜性工程方法（Stephen Wolfram，1986）

通過將一個大的復雜問題分割成更小、更簡單的部分并相互堆疊，復雜的問題變得更容易解決。Web 開發(fā)的一個著名例子是 LAMP 堆棧（Linux、Apache、MySQL、PHP）。如果你用 Google 搜索一下，你會發(fā)現(xiàn)許多關于如何使用 LAMP Stack 創(chuàng)建 Web 應用程序的教程，以及解釋它的圖表，如下所示：

圖 1：LAMP 堆棧。?LAMP堆棧的神奇之處在于，如果你正在制作一個Web應用程序，你可以留在頂層并編寫一些PHP腳本，而不需要考慮在底層的操作系統(tǒng)層控制進程?，F(xiàn)在您不需要成為一名專業(yè)的計算機科學家來制作網(wǎng)站，而只需了解一些簡單的腳本即可。這向我們指出了有關堆棧的另一個重要事項：相同的抽象層可以由不同的技術填充。在我們的 LAMP 示例中，抽象層是（從下到上）操作系統(tǒng)、Web 服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和腳本語言；填充這些抽象層的技術是 Linux、Apache、MySQL 和 PHP。

這些相同的抽象層可以由不同的技術填充以創(chuàng)建其他堆棧，例如廣泛使用的 MEAN Stack，它使用 MongoDB、Express.js、AngularJS 和 Node.js 作為堆疊在一起的特定技術?，F(xiàn)代 Web 開發(fā)堆棧已在很大程度上過去了如今，LAMP 和 MEAN 已成為現(xiàn)實，但 LAMP 仍然是互聯(lián)網(wǎng)上最常見的技術組合之一（來源），因為它是第一個使幾乎任何人都可以建立網(wǎng)站的技術組合。這就是堆棧的力量：它可以讓人們做一些沒有它就無法處理的事情，讓人們能夠訪問以前許多人無法企及的技術，并以數(shù)量級加速開發(fā)。

為什么“堆?！睂ι飳W很重要？

生物學是如此復雜，我們對其進行工程設計的唯一機會是使用一個堆棧（或多個堆棧）。Drew Endy 在他 2003 年的《自然》評論“工程生物學基礎”中第一個闡述了這個想法。在那里，他將“標準化、解耦和抽象”確定為構成“合成生物學”新學科的關鍵要素。這三個工程概念位于自 20 世紀 70 年代第一個限制性內(nèi)切酶用于重新編程 DNA 以來一直在開發(fā)的基因工程工具之上，它們共同創(chuàng)造了一種新的生物技術方法，我們稱之為“synbio”。這段視頻顯示了德魯 2007 年在白板上提出的這一論點。

https://youtu.be/XIuh7KDRzLk?si=8DA74aDsSktaFxH5

Rob Carlson 在其 2010 年出版的《生物學就是技術》一書中進一步發(fā)展了這一想法。卡爾森追溯了抽象層開發(fā)的歷史，它使得我們今天認為理所當然的極其復雜的飛機和集成電路的設計和工程得以實現(xiàn)。在這里，他引用了互聯(lián)網(wǎng)最早的開發(fā)者之一、Ginkgo Bioworks 聯(lián)合創(chuàng)始人湯姆·奈特 (Tom Knight) 的話：

“我們有機會利用我們的復雜性和信息管理工具來模塊化、抽象和理解生物系統(tǒng)。就像我們從物理學中簡化和抽象組件以允許我們構建數(shù)十億組件處理器一樣，我們可以并且將會模塊化、抽象和理解生物組件，其明確目標是構建人工生化和生物系統(tǒng)。” - Tom Knight，引自《生物學就是技術》（Rob Carlson，2010）

Synbio Stack 的創(chuàng)建將使人們擺脫對單個 DNA 堿基對的思考，這樣他們就可以專注于設計新的生物應用。對于更多的人來說，利用生物技術創(chuàng)造新的應用將變得比以往任何時候都容易，使他們能夠為人類當今面臨的巨大生存問題找到解決方案。

什么是 Synbio Stack？

如果抽象層對于工程生物學如此重要，那么所有不同的層是什么？哪些技術可以填補這些空白？分割這塊蛋糕的方法有很多種，每個 Synbio 實驗室可能都在使用略有不同的技術配置。也就是說，我認為有四個（非常廣泛的）層面：

圖 2：Synbio 堆棧

• 應用層：有價值的產(chǎn)品，從食品到藥品再到時尚。
• Bio CAD / CAM 層：計算機輔助設計和/或制造 (CAD / CAM) 軟件，用于設計應用程序并規(guī)劃它們的構建方式。
• 流程執(zhí)行層：自動化 Bio CAD/CAM 軟件描述的流程的硬件，以操縱試劑和生物學。
• 生物試劑層：組合生物部件以創(chuàng)建應用程序。

這些層中的每一層都可以分解為更多層和子層。然而，即使通過這個 30,000 英尺的 Synbio 堆棧視圖，我們也可以看到抽象層對于人們利用生物學進行構建的優(yōu)勢。堆棧將創(chuàng)建新有機體的龐大而復雜的工作劃分為幾個較小的、不太復雜的工作。這使得曾經(jīng)不可能的事情現(xiàn)在變得可行。人們和組織有機會專門從事不同層面的工作，以構建那里所需的能力。例如，有了這樣的 synbio 堆棧，使用 CAD 軟件設計 DNA 部件的人就無需考慮機器人將執(zhí)行的逐步過程來創(chuàng)建其設計。這意味著他們可以專注于設計功能性 DNA 部分這一非常困難的工作。以這種方式組織新生物產(chǎn)品的創(chuàng)造工作，可以建立團隊并解決以前不可能的問題。