介紹

我每天都會(huì)問(wèn)自己幾個(gè)問(wèn)題：我們?nèi)绾勿B(yǎng)活 100 億人，而不在我們?cè)?jīng)擁有農(nóng)場(chǎng)的地方造成沙漠？我們?nèi)绾尾拍艽_保我們不會(huì)全部死于疾病，而又不將健康僅限于那些買(mǎi)得起奢侈品的人？我們?nèi)绾尾拍軘U(kuò)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(shí)減少對(duì)生態(tài)的影響并阻止氣候變化？對(duì)我來(lái)說(shuō)，這些都是 21 世紀(jì)的大問(wèn)題。他們都有生物技術(shù)的答案。唯一的問(wèn)題是，今天我們創(chuàng)建生物技術(shù)答案的速度不夠快，無(wú)法滿足我們對(duì)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(gè)技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，使人類(lèi)構(gòu)建生物技術(shù)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(shù)堆棧”，它將幫助我們創(chuàng)建所需的拯救世界的生物解決方案。

什么是技術(shù)棧？

“堆棧”是一種技術(shù)組合，可以使巨大的復(fù)雜性變得易于管理。他們將大型系統(tǒng)的各個(gè)部分分成“抽象層”，從而掩蓋了一些復(fù)雜性，因此設(shè)計(jì)人員可以專(zhuān)注于當(dāng)前需要設(shè)計(jì)的部分，而無(wú)需考慮所有其他復(fù)雜的部分。 Stephen Wolfram 在 1986 年闡述了這個(gè)想法：

“系統(tǒng)的組件應(yīng)該以某種形式的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。層次結(jié)構(gòu)中較高的組件應(yīng)該為層次結(jié)構(gòu)中較低的組件集提供總體控制，這些組件可以被視為單個(gè)單元或模塊。這一原則對(duì)于軟件工程至關(guān)重要，其中模塊通常是子例程。在生物學(xué)中，器官和特定身體部位的存在也體現(xiàn)了這一點(diǎn)，顯然是通過(guò)遺傳密碼中類(lèi)似子程序的結(jié)構(gòu)來(lái)反映的?！?——復(fù)雜性工程方法（Stephen Wolfram，1986）

對(duì)于像具有數(shù)十億個(gè)晶體管的 CPU 或具有數(shù)萬(wàn)億個(gè)分子的細(xì)胞這樣復(fù)雜的東西，以這種分層方式組織事物對(duì)于任何類(lèi)型的工程工作都至關(guān)重要。沃爾夫勒姆繼續(xù)說(shuō)道：

“模塊化的一個(gè)重要方面是它使抽象成為可能。一旦特定模塊的構(gòu)造完成，該模塊就可以被視為單個(gè)對(duì)象，并且無(wú)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(gòu)建或分析系統(tǒng)的問(wèn)題分為多個(gè)級(jí)別，從而有可能使每個(gè)級(jí)別都易于管理?！?——復(fù)雜性工程方法（Stephen Wolfram，1986）

通過(guò)將一個(gè)大的復(fù)雜問(wèn)題分割成更小、更簡(jiǎn)單的部分并相互堆疊，復(fù)雜的問(wèn)題變得更容易解決。Web 開(kāi)發(fā)的一個(gè)著名例子是 LAMP 堆棧（Linux、Apache、MySQL、PHP）。如果你用 Google 搜索一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)許多關(guān)于如何使用 LAMP Stack 創(chuàng)建 Web 應(yīng)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(gè)Web應(yīng)用程序，你可以留在頂層并編寫(xiě)一些PHP腳本，而不需要考慮在底層的操作系統(tǒng)層控制進(jìn)程?，F(xiàn)在您不需要成為一名專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家來(lái)制作網(wǎng)站，而只需了解一些簡(jiǎn)單的腳本即可。這向我們指出了有關(guān)堆棧的另一個(gè)重要事項(xiàng)：相同的抽象層可以由不同的技術(shù)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(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和腳本語(yǔ)言；填充這些抽象層的技術(shù)是 Linux、Apache、MySQL 和 PHP。

這些相同的抽象層可以由不同的技術(shù)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(shù)?，F(xiàn)代 Web 開(kāi)發(fā)堆棧已在很大程度上過(guò)去了如今，LAMP 和 MEAN 已成為現(xiàn)實(shí)，但 LAMP 仍然是互聯(lián)網(wǎng)上最常見(jiàn)的技術(shù)組合之一（來(lái)源），因?yàn)樗堑谝粋€(gè)使幾乎任何人都可以建立網(wǎng)站的技術(shù)組合。這就是堆棧的力量：它可以讓人們做一些沒(méi)有它就無(wú)法處理的事情，讓人們能夠訪問(wèn)以前許多人無(wú)法企及的技術(shù)，并以數(shù)量級(jí)加速開(kāi)發(fā)。

為什么“堆?！睂?duì)生物學(xué)很重要？

生物學(xué)是如此復(fù)雜，我們對(duì)其進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的唯一機(jī)會(huì)是使用一個(gè)堆棧（或多個(gè)堆棧）。Drew Endy 在他 2003 年的《自然》評(píng)論“工程生物學(xué)基礎(chǔ)”中第一個(gè)闡述了這個(gè)想法。在那里，他將“標(biāo)準(zhǔn)化、解耦和抽象”確定為構(gòu)成“合成生物學(xué)”新學(xué)科的關(guān)鍵要素。這三個(gè)工程概念位于自 20 世紀(jì) 70 年代第一個(gè)限制性?xún)?nèi)切酶用于重新編程 DNA 以來(lái)一直在開(kāi)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(shù)方法，我們稱(chēng)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(diǎn)。

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

Rob Carlson 在其 2010 年出版的《生物學(xué)就是技術(shù)》一書(shū)中進(jìn)一步發(fā)展了這一想法。卡爾森追溯了抽象層開(kāi)發(fā)的歷史，它使得我們今天認(rèn)為理所當(dāng)然的極其復(fù)雜的飛機(jī)和集成電路的設(shè)計(jì)和工程得以實(shí)現(xiàn)。在這里，他引用了互聯(lián)網(wǎng)最早的開(kāi)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(jī)會(huì)利用我們的復(fù)雜性和信息管理工具來(lái)模塊化、抽象和理解生物系統(tǒng)。就像我們從物理學(xué)中簡(jiǎn)化和抽象組件以允許我們構(gòu)建數(shù)十億組件處理器一樣，我們可以并且將會(huì)模塊化、抽象和理解生物組件，其明確目標(biāo)是構(gòu)建人工生化和生物系統(tǒng)?！?- Tom Knight，引自《生物學(xué)就是技術(shù)》（Rob Carlson，2010）

Synbio Stack 的創(chuàng)建將使人們擺脫對(duì)單個(gè) DNA 堿基對(duì)的思考，這樣他們就可以專(zhuān)注于設(shè)計(jì)新的生物應(yīng)用。對(duì)于更多的人來(lái)說(shuō)，利用生物技術(shù)創(chuàng)造新的應(yīng)用將變得比以往任何時(shí)候都容易，使他們能夠?yàn)槿祟?lèi)當(dāng)今面臨的巨大生存問(wèn)題找到解決方案。

什么是 Synbio Stack？

如果抽象層對(duì)于工程生物學(xué)如此重要，那么所有不同的層是什么？哪些技術(shù)可以填補(bǔ)這些空白？分割這塊蛋糕的方法有很多種，每個(gè) Synbio 實(shí)驗(yàn)室可能都在使用略有不同的技術(shù)配置。也就是說(shuō)，我認(rèn)為有四個(gè)（非常廣泛的）層面：

圖 2：Synbio 堆棧

• 應(yīng)用層：有價(jià)值的產(chǎn)品，從食品到藥品再到時(shí)尚。
• Bio CAD / CAM 層：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和/或制造 (CAD / CAM) 軟件，用于設(shè)計(jì)應(yīng)用程序并規(guī)劃它們的構(gòu)建方式。
• 流程執(zhí)行層：自動(dòng)化 Bio CAD/CAM 軟件描述的流程的硬件，以操縱試劑和生物學(xué)。
• 生物試劑層：組合生物部件以創(chuàng)建應(yīng)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(guò)這個(gè) 30,000 英尺的 Synbio 堆棧視圖，我們也可以看到抽象層對(duì)于人們利用生物學(xué)進(jìn)行構(gòu)建的優(yōu)勢(shì)。堆棧將創(chuàng)建新有機(jī)體的龐大而復(fù)雜的工作劃分為幾個(gè)較小的、不太復(fù)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(jī)會(huì)專(zhuān)門(mén)從事不同層面的工作，以構(gòu)建那里所需的能力。例如，有了這樣的 synbio 堆棧，使用 CAD 軟件設(shè)計(jì) DNA 部件的人就無(wú)需考慮機(jī)器人將執(zhí)行的逐步過(guò)程來(lái)創(chuàng)建其設(shè)計(jì)。這意味著他們可以專(zhuān)注于設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)并解決以前不可能的問(wèn)題。