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？
計算機編程和基因合成似乎沒有什麼共同之處。但根據辛辛那提大學教授 Andrew Steckl 的說法，前者在技術上的飛躍使他對可以實現大規模基因合成和生命創造持樂觀态度。
Steckl 和他的學生 Joseph Riolo 借鑒計算機芯片的發展曆史和大型計算機軟件平台作為預測模型，來了解另一個複雜系統——合成生物學的未來。
“沒有一個類比是完美的，DNA 不符合數字代碼的某些定義，但基因組和軟件代碼仍有很多可比性。”Riolo 說。
研究人員還表示，計算機芯片的發展可能會影響合成生物學的未來。與計算機芯片的發展相比，創造合成生命很快就會在我們的掌握之中。
相關研究分析發表近期的 Scientific Reports 雜志上。
下一個劃時代的人類進步
合成生物學（synthetic biology），最初由 Hobom B.于 1980 年提出來表述基因重組技術，随着分子系統生物學的發展，2000 年 E. Kool 在美國化學年會上重新提出來，2003 年國際上定義為基于系統生物學的遺傳工程和工程方法的人工生物系統研究，從基因片段、DNA 分子、基因調控網絡與信号傳導路徑到細胞的人工設計與合成。
（來源：Pixabay）
類似于現代集成型建築工程，将工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成系統生物技術的方法基礎。
根據相關研究，合成生物學有可能成為“繼微電子和互聯網之後的下一個劃時代的人類技術進步。”它的應用将是無限的，從創造新的生物燃料到開發新的醫學療法，甚至到合成新的生命。
2010 年，科學家們将蕈狀支原體的人工基因組移植到另一個細菌細胞中，從而創造了第一個由人類創造的合成生物。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，DNA 編碼——構成基因組的腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶的組合——隻講述了基因複雜故事的一部分，而忽略了表觀遺傳學之類的東西。
“我們能否将戰鬥機或火星探測器系統編程的複雜性，與創建細菌基因組的複雜性進行比較？”Steckl 問道。“它們是一樣複雜還是要複雜得多？如果生物有機體要複雜得多，那就是代表了有史以來最複雜的'編程’，以至于人類很難重複這一自然過程；也或許生物有機體的基因編碼與 F-35 戰鬥機或豪華汽車的代碼複雜程度相同。”
圖 | 人類基因組與幾個主要工程系統的複雜性比較（來源：Nature）
但是，通過使用計算機芯片研發規律作為指導，研究人員發現，産生合成生命的速度和成本，可能會随着時間的推移遵循與電子産品的性能和成本類似的軌迹。
摩爾定律的啟示
摩爾定律是計算機芯片發展的預測模型。它以英特爾聯合創始人、計算機科學家戈登摩爾的名字命名，它表明技術的進步允許晶體管數量在單個計算機芯片上呈指數級增長。
自摩爾提出他的理論 55 年以來，我們仍然看到它在 3D 微芯片中發揮作用，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律大緻相同。這意味着合成人工人類基因組可能需要花費大約 100 萬美元，而像定制細菌這樣的簡單生物隻需花費 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複雜性的比較清楚地表明，當基礎知識可用時，設計合成生物将是可行的。如果合成生物的成本繼續以類似于摩爾定律所描述的成本變化速度下降，那麼合成具有與在自然生物體中觀察到的複雜基因組的成本，也很可能在承受範圍之内。“這種可克服的複雜性和适中的成本，引起了大家對合成生物學的學術熱情，并将繼續激發人們對生命規則的研究興趣。”
同樣，Steckl 表示，生物工程幾乎可以成為每個行業和科學不可或缺的一部分，就像計算機科學從一門細分學科發展成為大多數科學的關鍵組成部分一樣。
“我看到了計算作為一門學科如何發展之間的相關性。現在你可以在每個科學學科中看到重要的計算占比。我在生物學和生物工程領域看到類似的事情正在發生。生物學将無處不在，看看這些事情如何演變會很有趣。”Steckl 說。
圖 | 消費電子産品和合成生物學産品的制造流程比較（來源：Nature）
随着基因測序和合成成本的急劇下降，主要的制造挑戰是用于當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複雜，但總體而言，合成生物學的制造需求似乎與消費電子産品的制造需求相似。
與精密制造的相似之處表明，預先進行前期大型工程投資會導緻高産量、廉價制造的工藝。而且，合成生物學還具有自我複制的優勢，如果它可以适應當代精益制造原則，它還可以具備比精密制造更多的好處。
當然，對于創造人造生命，除了能力之外，還要考慮這樣做的負擔或道德權威。Steckl 說，“這不是可以掉以輕心的事情，因為我們可以做到。但這不是我們應該做那麼簡單，還應該考慮哲學甚至宗教的影響。”
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
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