想象一下，設(shè)計(jì)一個(gè)新的有機(jī)體就像設(shè)計(jì)一個(gè)新的集成電路一樣容易的話，是不是很激動(dòng)人心呢？這就是GP-write consortium開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design ，CAD）程序背后的終極愿景。

說(shuō)起 CAD，想必很多人都不陌生。CAD，全稱計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。再通俗點(diǎn)說(shuō)，CAD 就是一個(gè)繪圖軟件，人們可以使用它繪制復(fù)雜的工程圖、機(jī)械圖、建筑圖、電路圖等。

波士頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程副教授 Doug Densmore 博士是一家初創(chuàng)生物公司 Lattice Automation 的創(chuàng)始人，領(lǐng)導(dǎo)基因編輯 CAD 軟件的開(kāi)發(fā)。在接受媒體采訪時(shí)，Doug Densmore 博士表示，“新型基因編輯 CAD 軟件的開(kāi)發(fā)，有利于促進(jìn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的融合，可以幫助生物學(xué)家更好的進(jìn)行生物研究。第一個(gè)版本將在今年年底推出?！?/p>

Densmore對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)希望是，它將幫助計(jì)算機(jī)科學(xué)家找到一種參與遺傳學(xué)和生物學(xué)的方法。他指出：“有一些非常出色的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他們可能會(huì)說(shuō)，‘我不知道生物學(xué)是做什么，但我喜歡編碼?！?/p>

GP-write（更正式地名稱為Genome Project-write）的靈感來(lái)自20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初的人類基因組計(jì)劃。人類基因組計(jì)劃是一項(xiàng)規(guī)模宏大，跨國(guó)跨學(xué)科的科學(xué)探索工程。其宗旨在于測(cè)定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的 30 億個(gè)堿基對(duì)組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識(shí)其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息的最終目的。

寫基因組意味著什么？GP-write 的目的是通過(guò) CAD 等技術(shù)來(lái)輔助基因編輯，從而創(chuàng)造出全新的生命或全新的能力。這意味著要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越目前用CRISPR等尖端工具所做的編輯，設(shè)計(jì)DNA序列以創(chuàng)造具有新特性的人類或動(dòng)物細(xì)胞。

經(jīng)典的 CRISPR 基因編輯工具一般僅限于對(duì)人類 DNA 上單個(gè)堿基對(duì)的修改，而 Schwartz 博士的團(tuán)隊(duì)致力于幫助科學(xué)家超越這一局限，旨在從更高、更抽象的層面改造生命。

目前，Gingko Bioworks 和 Zymergen 等開(kāi)創(chuàng)性的合成生物學(xué)公司已成功通過(guò)這種方式，重新設(shè)計(jì)了酵母和細(xì)菌等單細(xì)胞生物，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭僧a(chǎn)生所需物質(zhì)的微觀工廠。

在 2019 年發(fā)表的一篇論文中，GP-write 的科學(xué)家曾提到過(guò)其愿景，“我們希望能創(chuàng)造出一種簡(jiǎn)單、友好的 CAD 輔助基因編輯程序，從而使基因設(shè)計(jì)更快、更便宜、更可靠”。GP-write總裁兼聯(lián)合執(zhí)行董事Amy Schwartz表示：“如果我們能夠降低基因組書寫的成本，那么這些應(yīng)用程序?qū)⑹歉锩缘?。”她告訴IEEE Spectrum，她預(yù)見(jiàn)了在醫(yī)藥、能源、材料和其他行業(yè)的應(yīng)用。

Schwartz說(shuō)，CAD program將免費(fèi)提供給學(xué)術(shù)界人士，以及GP write的行業(yè)合作伙伴和被選中參與其新孵化器的公司。該平臺(tái)還將包括訂單，以便用戶可以將其CAD文件發(fā)送給制造合成DNA的公司；然后可以將設(shè)計(jì)的構(gòu)件發(fā)送給用戶，以便他們可以看到自己的設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活中的結(jié)果。

Schwartz的團(tuán)隊(duì)致力于幫助科學(xué)家們遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出改變單個(gè)堿基對(duì)（DNA最基本的單位）的范圍。它的目的是在更高、更抽象的層次上捕捉科學(xué)家的意圖。例如，如果他們想添加一個(gè)新的代謝途徑來(lái)產(chǎn)生某種蛋白質(zhì)，CAD將在基因組中所有必要的位置進(jìn)行所有必要的改變。它還意味著捕捉可能導(dǎo)致細(xì)胞功能失調(diào)的編碼錯(cuò)誤，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)編輯對(duì)細(xì)胞的功能影響——這種評(píng)估通常需要人類專家來(lái)進(jìn)行。

波士頓大學(xué)的Densmore在被問(wèn)及這種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)如何幫助科學(xué)家時(shí)，提出了一個(gè)醫(yī)學(xué)假設(shè)。他說(shuō)：“想象一下，我想設(shè)計(jì)一種細(xì)菌，它含有一個(gè)生物傳感器，可以檢測(cè)腸道的某些狀況，然后釋放出一些治療藥物?！边@就需要為生物傳感器添加一個(gè)基因，一個(gè)編碼產(chǎn)生治療物質(zhì)的基因，這種物質(zhì)會(huì)在細(xì)菌內(nèi)部積聚，然后一個(gè)自毀基因會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌破裂并釋放藥物。“你可能想知道這些添加的基因是如何相互作用的，”Densmore說(shuō)，“CAD基本上可以檢查代碼中的細(xì)菌，并對(duì)細(xì)菌的功能做出預(yù)測(cè)?！?/p>

另一位重要的合作者、耶魯大學(xué)分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)副教授Farren Isaacs說(shuō)，他們正在“嘗試開(kāi)發(fā)一個(gè)基因組設(shè)計(jì)的一站式商店”。他指出，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)將從一些生物體的參考基因組開(kāi)始，如酵母和大腸桿菌，但它會(huì)被設(shè)計(jì)用于任何參考基因組。

顯然，一旦這種 CAD 輔助基因編輯軟件問(wèn)世，那么通過(guò)基因編輯創(chuàng)造新的生命將會(huì)變得非常簡(jiǎn)單。但是，如果有不法分子通過(guò)這一軟件來(lái)合成各種致命病毒或者是生化武器，那么后果顯然是非常嚴(yán)重的。

生物安全是任何參與基因編輯和合成生物學(xué)的人的頭等大事。GP write承諾CAD將達(dá)到國(guó)際基因合成協(xié)會(huì)的最高生物安全標(biāo)準(zhǔn)。作為第一步，它將根據(jù)危險(xiǎn)序列數(shù)據(jù)庫(kù)檢查任何設(shè)計(jì)的序列，以確保用戶不會(huì)制造病毒或其他生物武器。它還將最終檢查細(xì)胞或有機(jī)體不會(huì)以不受控制的方式增殖或在環(huán)境中造成問(wèn)題。

雖然 GP-write 會(huì)保證 CAD 輔助基因編輯軟件的安全性，但是仍有一些科學(xué)家不放心，老牌公司似乎不太可能從現(xiàn)有的基因組編輯和設(shè)計(jì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。

如果CAD程序真的在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界流行起來(lái)，它可能會(huì)面臨來(lái)自生物倫理學(xué)家的審查。例如，F(xiàn)reiburg大學(xué)的生物倫理學(xué)家 Joachim Boldt經(jīng)常撰寫有關(guān)合成生物學(xué)的文章，他說(shuō)，“我看到了簡(jiǎn)單的CAD設(shè)計(jì)過(guò)程與現(xiàn)實(shí)生活中雜亂無(wú)章的復(fù)雜應(yīng)用之間的潛在沖突。他擔(dān)心，一個(gè)易于使用的平臺(tái)“可能會(huì)讓用戶高估預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，尤其是那些不熟悉底層算法限制的用戶?！?/p>

Boldt主張對(duì)基因組編輯技術(shù)進(jìn)行國(guó)際監(jiān)管，并希望這些監(jiān)管采取細(xì)致入微的觀點(diǎn)，區(qū)分不同類型的生物和不同的應(yīng)用。他表示，“如果沒(méi)有政府或機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)這一新型事物負(fù)責(zé)，那么在基因組設(shè)計(jì)的過(guò)程中一定會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題?！?/p>

總體而言，CAD 輔助基因編輯技術(shù)毫無(wú)疑問(wèn)是一項(xiàng)偉大的工程，對(duì)于人類基因編輯技術(shù)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。不過(guò)，任何一種新興事物，我們都無(wú)法預(yù)測(cè)其帶來(lái)的危害，因此在推廣過(guò)程中必須慎之又慎。而未來(lái)隨著 CAD 輔助基因編輯的不斷完善，創(chuàng)造一個(gè)新生命或許真的會(huì)像畫畫一樣簡(jiǎn)單。

Densmore表示，如果計(jì)算機(jī)科學(xué)家和電氣工程師現(xiàn)在愿意參與進(jìn)來(lái)，他們將發(fā)現(xiàn)在未來(lái)還將有大量的工作需要他們來(lái)參與?！霸?1世紀(jì)，生物學(xué)將帶來(lái)最有趣的技術(shù)問(wèn)題，”他說(shuō)。

編輯：jq