董杉是加拿大多伦多大学博士，专业领域原为材料科学。他藉由带队参与iGEM（国际基因工程机器大赛）开始接触到合成生物学，进而参与到合成生物学的研究与科普工作中来。
一个看似平常的周末，美国麻省理工学院媒体实验室主任伊藤穰一教授邀请了一些学生和朋友到家中做客。除了聊天、喝酒之外，他们还多了一个活动——入侵大肠杆菌的基因组。对，就在伊藤教授家的厨房里，包括他的学生朱莉·勒高特在内的一群没有系统接受过高等生物学教育的人，在“生物极客”贾斯汀·帕哈拉博士的带领下，用“简陋”的设备体验了一次听起来非常神奇的生物实验。这听起来是不是很酷？随着以合成生物学为代表的生物技术的爆发式增长，这样的事情其实离我们一点也不远。在吃惊之余你是否会好奇，什么是合成生物学？为什么它的发展会带来“生物极客”的普遍出现？好吧，那我们就一起来聊聊合成生物学。
到底什么是合成生物学？这个看似简单的问题其实却很难回答。一方面，与其他成熟学科相比，这个在本世纪初才诞生的生命科学的崭新分支，其理论体系远未完善，很多工作尚处于起步甚至萌芽状态，作出定义与结论似乎为时尚早。另一方面，合成生物学的研究范围又非常广泛，从传统代谢发酵到热门的人造生命，从生物材料制造到生物医药研发……不同领域的研究者往往见仁见智地从自己的角度出发，对合成生物学作出阐释。因而究竟该如何定义合成生物学，也存在着巨大的争议。曾有人调侃说，如果你向5个专家询问合成生物学的定义，那么最终你会获得6个答案——你自己会总结出一个新的定义。
不过，在合成生物学的一些基本要点上，大家的看法还是趋于统一的。從字面上来说，合成生物学就是要去研究如何“合成”生物，或者说如何“制造”生物。也就是说，与传统生物学通过解剖、解构生命体的方法，不断深入研究生命内在的构造、组成、运作方式等不同，合成生物学的研究方向是完全相反的。它在我们对生命密码——基因（遗传因子）的组成、结构及功能了解的基础上，从最基本的要素开始一步步建立生物零部件，再用这些生物零部件拼装成基因回路，使拥有这个基因回路的生命体按照我们设计的方式工作。
换句话说，我们可以认为合成生物学是以工程学理论为指导，设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体，应用于特定的化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门综合学科。
这里有以下两点特别值得说明。第一，合成生物学是一门综合学科。在生物学范畴内，合成生物学综合了分子生物学、基因组学、蛋白质组学、生物信息学、系统生物学等诸多分支学科;而在生物学之外，它用到了工程学、计算机科学、数学、控制学等众多领域的知识和方法。
第二，合成生物学是一门高度工程化的学科。工程学的研究方向、思路、方法与自然科学有较大区别。简单说来，自然科学是想方设法去探究未知，而工程学则是基于已知去构建我们所需要的东西。工程产品的构建需要经历设计—研制—测试—修改—再测试—获得产品的过程，这在合成生物学的研究中得到充分体现。
《科学美国人》杂志编辑比艾罗曾以计算机为例，来说明合成生物学：如果将生命体比作电脑，那么，由许多核酸组成的程序——基因，就是生命的操作系统。合成生物学想做的，就是通过改写或创造基因，让生命体表现出预期的行为，执行预定的工作。但是，有时候我们会把生命体的程序写“错”了，就像你把电脑的操作系统弄坏了一样。电脑会因此死机，而生命的机器也会因此不正常运作甚至死亡。通过不断尝试，累积成功和失败的经验，人们会渐渐了解生命程序的规则和语法，进而掌握撰写生命蓝图的法则。
合成生物学的发展
合成生物学的诞生可以追溯到二十世纪六七十年代。包括基因回路的研究、基因转录的蛋白调控以及DNA重组技术等在内的多种技术和认知，为合成生物学奠定了技术基础。
1978年，波兰科学家瓦克劳·希巴尔斯基（Waclaw Szybalski）在对发现限制性内切酶的诺贝尔奖获得者进行的评论中，首次提到“合成生物学”这个词。同时，他还提出了“我们不仅可以利用现存的、已经分析过的基因，而且还可以创造和研究新的基因组组成方式”的合成生物学思想。
1980年，“合成生物学”一词首次出现在学术刊物上。2000年，在旧金山举行的美国化学会年会上，“合成生物学”再次被提出。当然，那时的“合成生物学”概念尚未脱离遗传工程的范畴，与现在的观点还有较大的区别。2000年后，在恩迪（D.Endy）、基斯林（J.D.Keasling）、斯莫克（C.D.Somlke）等众多科学家的推动下，合成生物学作为生物学领域里一个崭新的分支，开始飞速发展。随着模拟逻辑门的基因调控线路的出现以及大肠杆菌成像系统的研制成功，合成生物学逐渐发展成为一门独立的新兴学科。
2010年5月20日，美国传奇基因遗传学专家、合成生物学先驱克雷格·文特尔宣布，世界首例人造生命体诞生，让合成生物学再次成为世界关注的焦点。这个完全由人造基因控制的单细胞细菌，被命名为“辛迪娅”。这项具有里程碑意义的实验表明，新的生命体可以在实验室里“被创造”。名为“辛迪娅”的人造细菌内核是移植于实验室、完全人工合成的基因组，科学家们在“辛迪娅”DNA上写入4个“水印序列”，使其有别于同类的天然细菌，以便在这种生物的后代中识别它的“祖先”。
合成生物学的关键技术支持
合成生物学的最终形成主要依赖于四个方面的突破：一是低成本、高通量的DNA合成技术;二是快速、廉价的DNA测序技术;三是多年研究积累所获得的特性较好的生物模块;四是工程化设计。而以下三大前沿技术，更是促进合成生物学快速发展的重要基石。
基因编辑技术（特别是CRISPR/Cas9技术）
CRISPR/Cas9是一项靶向基因编辑的革新技术，可直接用于基因突变或敲除。相较于以基因重组为基础的传统基因编辑技术，CRISPR/Cas9技术操作简单、成本低、编辑位点精确、脱靶率低。其基因编辑效率超过30%，大大降低了基因编辑的时间成本和经济成本。基因编辑技术是生命科学研究的核心技术之一，通过对基因组序列进行精确地靶向性修改，可以实现人类疾病治疗以及微生物和动植物的性状改良，在生物医学、农业育种和工业微生物改造方面，具有重大的应用前景。
DNA组装技术
人造生命的成功离不开DNA 组装技术的蓬勃发展。近年来，根据非典型酶切连接、PCR、同源重组、单链退火拼接等原理发展起来的各种 DNA 克隆和组装技术，为合成生物学更加快速而高效地进行大片段 DNA 克隆和组装，提供了技术支持。其后几年，人们致力于更新DNA组装技术，提高重组效率和大尺度DNA的组装率。
体内定向进化技术
定向进化指的是在实验室条件下创造突变，并对突变文库施加筛选压力，从而筛选出具有期望表型的突变体。虽然定向进化是解决合成生物学问题的有力工具，但也受到文库大小、筛选效率和进化实验所需时间等因素的限制。不过，不断出现的新方法已经可以用于缓解定向进化的这些限制，如体内定向进化。体内定向进化策略可以简化定向进化的实验操作，减少人为因素的干扰，加快重要功能基因的筛选。
合成生物学的发展与挑战
2000年，《自然》（Nature）杂志报道了人工合成基因线路的研究成果。从此，合成生物学在全世界引起了广泛的关注与重视。科学家认为，合成生物学在医学、制药、化工、能源、材料、农业等领域都有广阔的应用前景。
有观点认为，未来20至30年间，合成生物学将如计算机与互联网技术一样，为人类带来一次影响深远的革命。它所带来的不仅是技术的进步，而且是技术的普及。文章开头我们所提及的“生物极客”，将同如今的计算机编程高手一样遍布全球。
合成生物学具有工程化背景，因此其科研成果不仅在实验室内不断获得突破，而且更在商业领域中异军突起，被认为是未来创业的新热点。例如2017年8月底，合成生物学领域的“黄金组合”——麻省理工学院电子工程与生物工程副教授、创业明星卢冠达（Timothy Lu）和他的导师MIT生物工程学教授、合成生物学先驱詹姆斯·柯林斯（James C.Collins）共同创立的生物技术公司——Synlogic，以反向兼并股东公司Mirna Therapeutics的方式在纳斯达克上市。而在此之前，该公司已经累计获得了超过1.4亿美元的融资。
然而，合成生物学的发展也面临着诸多挑战。在技术层面，尽管我们可以合成各类生物“部件”，单个“部件”也可以被鉴定，然而预测各个部件是如何形成一个整体进行共同运作的，对科学家来说仍是一个挑战。
其中一個重要的原因在于，即便是像大肠杆菌这种人类了解最为透彻的模式生物，其活细胞内的复杂环境导致基因调控也异常复杂，并会产生不可避免的副反应。因此，无细胞合成生物学由于不需要为细胞提供生长所需的辅助环境，为解决上述问题提供了有力的支撑。
2014年，来自哈佛大学Wyss生物工程研究所、波士顿大学等处的研究人员，公布了一种基于纸质的非细胞环路（纸张基因网络）。
2016年，美国麻省理工学院（MIT）研究团队提出，将不同遗传线路包裹在脂质体液滴中。这些脂质体拥有与细胞膜非常相似的脂肪膜，可扮演人工细胞的角色，除了能识别DNA和合成蛋白质外，没有其他任何细胞功能来阻止它们之间的相互干扰，从而可串联成更加复杂的遗传线路。
2016年，美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员，研发出一种无需细胞培养、人工合成蛋白质的新系统。此外，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队，利用葡萄糖作为原料，在无需细胞的条件下合成了相当重要的合成积块乙酰辅酶A。这既摆脱了活细胞的限制，又保留了生物合成体系的高效率，为生产塑料、生物燃料和新药铺筑了一条新的道路。
从非技术层面看，合成生物学的研究对象是活的生命体，研究目的是制造新的生命体，而生命体本身又具有繁殖、突变、进化等特征，因此，其研究始终面临着生命伦理学风险以及社会安全风险。这样，各种法规制度的制定与完善，以及找到生物技术所带来的生物安全问题的解决办法，也是合成生物学发展所面临的挑战。
