对于以电子工程为模式的生物技术，生物组件是它的基础。

撰文 生物工厂研究小组*（Bio Fab Group）

虽然“基因工程”这个词已至少用了30年，DNA重组技术也是现代生物学研究的主流技术，但是大多数生物工程学家所进行的生物相关研究，却与工程技术鲜有共同之处。其中一个原因就是，现有的生物工具，在标准化和实用性方面还没有达到与其他工程技术领域相应的水平；而另一个原因，则是生物学的研究方法和思路还有待改进，尽管生物学研究已经深受工业技术的影响。

举例来说，电子工程的转型起始于1957年。那一年，美国Fairchild半导体公司（这家公司的所在地就是后来的硅谷）的琼·霍尔尼（Jean Hoerni）和罗伯特·N·诺伊斯（Robert N.Noyce）发明了平面技术。这是一种利用光掩模（photomask），在硅晶圆（silicon wafer）内，对金属及化学物质进行层叠和刻蚀的系统。利用这种新技术，工程师们不仅能够制造出品质稳定的、简洁的集成电路，还能通过改变光掩模的模式，制造出各种类型的电路。此后不久，工程师们就可以对前人所设计的简单电路进行选择组合，设计出更加复杂、应用范围更广的电路。

在那个年代，电子电路的标准制造方法还比较原始，只是将电路的各个晶体管（transistor）逐一串连起来。这是一种手工制造过程，其产品质量参差不齐，被新兴电子工业界公认为技术瓶颈。相反，平面技术则大步前进，进展速度惊人，与著名的摩尔定律（Moore’s Law）所提出的速度相差无几。

半导体芯片的设计制造技术与方法学相结合的产物—— 芯片制造厂（chip fab），已成为史上最成功的工程范例之一。它也为另一新兴技术领域—— 生物体系制造业，提供了宝贵的发展模式。

实际上，今天的基因工程师所使用的方法，仍处于较原始的阶段。正如我们的同事，美国麻省理工学院人工智能实验室的汤姆·奈特（Tom Knight）所说的那样：“DNA序列的组装技术没有标准化，致使每一次DNA组装反应在自身还处于实验阶段的同时，就不得不充当解决目前研究课题的实验工具。”

生物工程在制造方法和组件上的标准化，可以促使兼容组件设计库建立，并使组件的加工外包成为可能。理论与制造的分离，使生物工程师能够自由地构想更加复杂的装置，并应用强大的工程工具（例如计算机辅助设计），来处理由此而来的复杂性。向着这些目标，我们小组的成员已经开始寻找和开发能够构成“生物工厂”（bio fab）基础的仪器和工艺技术。我们还想组建一个团队，然后借团队的力量，将最好的工程原理和实践应用于生物技术。

合成DNA

如果说单个的晶体管是电子电路的基本组件，那么在生物学中，与之对应的便是基因（有序的DNA片段）。为了给高级的生物装置构建基因电路（genetic circuit），我们就需要一种快速可靠、价格合理的DNA片段合成法。

20年前，在前人的工作基础上，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder）的马文·H·卡拉瑟斯（Marvin H.Caruthers），利用DNA自身的化学性质，研发出一种单链DNA合成法。DNA由4种核苷酸组成，而每种核苷酸又含有一个相应的碱基，分别是腺嘌呤（adenine，A）、胞嘧啶（cytosine，C）、鸟嘌呤（guanine，G）和胸腺嘧啶（thymine，T）。碱基之间的亲和力使它们两两配对（A-T配对，G-C配对），形成梯状双链DNA分子中的梯级。化学键不仅在碱基对之间形成，在邻近的核苷酸之间也会形成。

卡拉瑟斯所使用的方法被称为固相亚磷酰胺法，这是目前大多数商业DNA合成法的基础。合成反应起始于一个单核苷酸，这可不是一个普通的核苷酸，它附着在悬浮于酸性液体中的固相支持物（如聚苯乙烯颗粒）上，并承担着发起合成反应的重任。当碰见“新来”的核苷酸，两者便会通过形成化学键相连。如果不断加入核苷酸，反应就会持续进行，核苷酸链就会不断延长。这样，就可以合成任何想要的核苷酸序列，并且不易出错（出错几率约为1%）。

但很多时候，生物工程师想要的基因片段，远远超出了该方法的合成能力。一个简单的基因网络也许就有数千碱基对；就算像细菌这样的微小生物，基因组也可达数百万碱基对。因而，我们如果想找到高产出、低误差的合成法，就只能寄希望于从自然界中获得一些提示了。

在生物体中，像酶（如聚合酶）这样的生物机器，能以高达每秒500个碱基的速度，合成和修复DNA分子，而错误率仅为十亿分之一！这就意味着，即便是最好的DNA合成机器（每300秒合成1个碱基），产出率（输出量/错误率）也不及聚合酶的万亿分之一。更有甚者，在细菌体内，当复制像基因组那样的长链DNA时，多个聚合酶会同时运作，在20分钟内就能合成含有500万个碱基的DNA！

于是，丘奇开始仿效细菌聚合酶的这种平行作业方式，以适应现有的基因芯片技术。基因芯片其实就是特殊的玻璃片，在它的表面上，繁星般地点缀着长为50～70个碱基的寡核苷酸（oligonucleotide/oligo，短小的核苷酸链）。通过亚磷酰胺反应法，寡核苷酸被同时合成于基因芯片的表面，并以格状排列，密度高达100万点/平方厘米。在传统技术的基础上，我们又在这些寡核苷酸上加上可剪切的连接子，以便特定的寡核苷酸能够从基因芯片上释放出来。在我们的实验性基因芯片上，每个点约为30微米宽，含有大约1000万个寡核苷酸分子。

通常，基因芯片上的核苷酸链被称为构建性寡核苷酸（construction oligo），因为它们的部分序列是相互重叠的，通过重叠的序列，可将它们组装成更长的DNA结构（如整个基因）。但是，任何含有错误序列的寡核苷酸都必须被清除。为此，我们采用了两种不同的纠错方法。

第一种是选择性寡核苷酸（selection oligo）法。合成选择性寡核苷酸的方法与制造基因芯片的方法相同，只是在核苷酸序列上，前者有特殊的要求：与构建性寡核苷酸的序列互补。合成之后，便对连接子进行剪切，从玻璃片上释放选择性寡核苷酸，并使它们流过构建性寡核苷酸的芯片。按照碱基配对的原则，选择性寡核苷酸就会与互补的构建性寡核苷酸结合（杂交，hybridize），形成双链DNA。这样，任何不能配对，或者含有错误序列、配对不完全的构建性寡核苷酸，都无法逃过我们的“法眼”，也就无法继续在芯片上“滥竽充数”。与制造基因芯片一样，在合成时，选择性寡核苷酸的序列也会出错。但是，构建性与选择性寡核苷酸的错误序列很难完全互补。因此，利用一组寡核苷酸对另一组进行校对是一种有效的纠错方法。利用这种方法，我们合成寡核苷酸的平均错误率可以低至1/1,300。

正如人们所料，生物体系非常注重自身复制的精确度。我们的第二种纠错方法就来源于自然界。十年前，莫德里奇首先发现了生物体系复制时的详细纠错过程，并将这个过程命名为“MutS,L,H”。当两条DNA链的碱基不能完全配对时，那么在错配区，便不能形成双螺旋结构。MutS是一种天然存在的蛋白，它会识别这种缺陷，并与之结合。随后，它招集“同伴”—— MutL和MutH，共同完成修正任务。利用该方法，雅各布森与美国麻省理工学院的彼得·卡尔（Peter Carr），已经将DNA合成的错误率降到1/10,000。对于生产小型基因网络，这样的保真度足矣。

在可释放性平行合成技术和纠错技术的支持下，长链DNA的合成速度更快、成本更低、精确度更高。这些技术将是生物工厂的基础，随着时间的流逝，它们会像半导体芯片光刻技术那样，不断进步。先进的技术是宝贵的财富，能解放我们的思想，让我们思考更多：在生物工厂里，我们可以做些什么呢？