钟超：基因编程时代已来临？它如何改造微生物，创造新材料 |一刻·专访

|钟超：上海科技大学物质科学与技术学院助理教授    

想象一下，你身体里的某个细菌，在你的肠道里可以对付癌症，甚至可以调节生命体里其他的疑难杂症。基因编程，是用像计算机一样的语言来改造DNA。它是怎么创造新材料的？请听上海科技大学的钟超教授在@一刻talks《了不起的好奇心|科学侠》中的分享。    

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我是钟超，来自上海科技大学物质科学与技术学院，我的研究领域是一个结合了材料科学和合成生物学的交叉领域。

这个领域是通过利用基因编程，像计算机一样的语言，用于整合到生命体里，改造DNA，让生命体之后能够按照设定的方式具有特殊的功能。

比如想象一下你的一个细菌在你的肠道里面可以对付癌症疾病，甚至可以调节生命体里面的一些疑难杂症，从另一个角度来说，它也可以帮助我们的农业生产提高大量的生产这样的一个农业果实。

用通俗的语言来讲，就是用基因编程的方法来改造生命体，产生有用的材料。

合成生物学是什么？

这是一个非常新兴的领域，它结合了传统的生物工程手段，和目前为止计算机甚至工程角度的一些工程准则。

当你对生命体加以解剖、理解的时候，如果从它的基本元件开始挖掘，你可能可以最后把它凑成一个完整的机器。了解每个机器、每个元件起什么作用，到对整个生命体整体的贡献，这样就可以帮助理解生命是如何起源的。

从应用角度来讲，如果你能对生命体进行改造，可以让这个生命体具有特殊的设定的功能，你就可以去用这样的生命体，用于治疗疾病，生产有用的材料，生产化妆品，甚至生产能源。

为什么要研究合成生物学？

早期我的研究领域是材料科学，在很长一段时间内，我都会想一些非常有意思的问题。比如我们的骨骼材料，它是一种材料，对不对？但这种材料它有生命的特征。比如当你在踢球的时候，不小心把你的脚给崴了，你的骨头在两三个月之后会自动修复。

随着人的年龄增长，比如我们的爷爷辈，他不小心把自己的骨头折断了后，你会疑问为什么老年人的骨头更容易折断？是因为随着年龄的增长，它有一个degenerate（退化）的过程，所以这些都是动态材料。

我在想这种材料，其实是实实在在的一个有机无机、还包括细胞的混合体。但是，在我们常用到的人造材料里，比如塑料、金属（当然它们在某个特殊阶段发挥了很重要的作用），这些材料都是没有生命的。在21世纪的生命世界，如何去打开生命里的潜力，我个人觉得从材料领域，借助于生命的概念去推进的话，会有很多重要意义。甚至可以获取传统材料不具有的一些特征。比如刚刚我说的自我再生、自我修复的功能。

这些一旦成为你的未来工程材料，可以想象一下，你的材料在被破损之后它可以自我修复，是多么神奇的一个场景。所以在那时候我就在有意识地去探索这个领域。

我应该是第一个从材料科学，踏入这个交叉学科领域的科研工作者。从那时开始，我就觉得这个领域蕴藏着很多机会，事实也证明了我的眼光是对的，因为现在看来这个领域是指数级增长，是一个发展很快的领域。

同时因为我的材料背景，我可以给这个领域带来很多材料的思想，可以用合成生物学推进材料的发展，我觉得是非常有意义的一件事情。

（在博后期间），我是从材料领域跨界到电子器件领域，在那个领域里面，我们用生物高分子做出了一个质子晶体管，我们最初的目的是想发展一个能够跟人脑对接的机器。

因为我知道人体里面，信息源或能源的传输，是通过离子流和质子流，但我们目前为止的这种器件，它是基于电子流的。现在有一个崭新的topic（话题），就是如何用这样的电子器件，去探索生命里面的脑科学的界面。

但是在人体里，就像我刚刚说的，有很多质子流还有些小分子，你如果用一个电子器件去探索这种秘密的话，就存在语言不匹配的问题。我们发明了这种质子晶体管，就是想打破这个界限。

目前为止，质子晶体管用于监测人体、人脑的界面时，能提供一个更好的界面让人去研究它，虽然这只是一个非常基本的装置的证明，但我依然觉得目前看来这是非常大的突破，对我来讲是一次跨领域的大胆尝试，最后也取得了成功。

合成生物学的起源与现状

合成生物学最早起源于上个世纪六七十年代，有一些科学家在改造基因角度，在基因层面、对基因加以编程之后，让细菌具有一定的特殊功能。但目前为止，真正意义上的合成生物学起步是在2004年，15年前，当时合成生物学第一届会议在麻省理工召开。

那个时候的前辈合成生物学家正在做的事情，就是通过引进电子电路设计的一些原理，把它重新放到细胞层面、细菌层面，让细菌能够听指令，在DNA指令的一些调节下，按照所需的方式，输出你想要的信号。

比如打一束光，它接收光之后可以发荧光。让细菌感受一个信号后，它可以产生特定的一些形貌，所有这些对现代的合成生物学的发展都是非常好的铺垫，因为当时它证明了合成生物学还可以这样去干。给了我们很多启示。

到2010年后，这个领域发展得非常迅速，每年大概有上千篇甚至上万篇文章出现，很多工作是往应用角度发展。比如美国很多的风投公司正在关注的一个领域，叫做Living therapeutic——活体药，就是把细菌甚至活细胞、哺乳动物细胞，通过基因改造，作为一种新的治疗方式引入人体，这样它就具有了能够感知你疾病，监测你疾病状态的功能。所以说这个领域越来越往应用发展了。

合成生物学的意义与成果

我们实验室的英文名称缩写是IBME——生物灵感分子工程实验室，我们是利用合成生物学的方式、基因编程的工具，来推进材料科学和纳米科技的前沿研究，我们的研究希望这些纳米技术也好，新材料也好，都具有特殊的功能，可以解决人们在能源、生物医药、甚至目前环境里碰到的各种棘手的问题。

回归到我自己，我希望借助这样的合成生物学，这种生物工程的新工具，来发展、推进材料领域的一些最前沿的研究。

我为什么取这个整合的生物灵感分子工程实验室的名字，就是希望我的学生能够打破材料科学本身的界限，借用其他领域的工具来制造新材料。我们有这样的初衷，所以叫了这个名字。

我和我团队比较值得骄傲的一件事情，是在回到上科大创立的团队后，首次证实了很多概念，我们发展了一个可打印、可编程的细菌生物被膜，一个活体功能材料平台，用我们前面讲的基因编辑和材料加工的手段，可以实实在在地把细菌变成我想要的，具有活体生命特征的一种材料。

这种材料可以在生物医药、能源、生物修复、环境保护方面都有很大的、潜在的应用，这不仅仅是一个研究，而是一个发散型的平台。我们很开心能做出这样原创性的成果。

我们团队想打破常规，我更希望让我的学生沿着大方向去识别非常有意义的问题，针对这些问题敢于提出自己原创的想法。我个人认为，在这个过程中，能够跳出框框，不受框架所限制，是非常重要的。源续不断的创新，应该是从源头创新。

我回到国内的时候，和我研究生的同学（我们课题组里的一个学生）聊的时候，我们发现黏合剂都是基于高分子材料，或者基于蛋白材料，但海洋底下的动物，它不仅具有水下黏合的效能，同时还能根据需要对环境做出响应，在需要黏合的时候就黏合。

那我就想，如果能够结合生命体对环境感知的能力，发展一种活体胶水的话，这个胶水可能是智能化的，在你需要的时候就黏合，在你不需要的时候它就不具有黏合的功能。这样就发展成了一个神奇的胶水，成了我们实验室原创的工作，即活体胶水的一个概念。

我们做的东西非常工程，非常希望天马行空，把一些很有意义的东西，在实验室重建，甚至把它推广到具有商业化潜力的可能性。

科学之美

我觉得科学创新的美在于把一些未知的东西、未知领域的东西，甚至这个世界本来已存在，但是人们未知的东西给找到，同时给它赋予一定的意义。

从科学技术创新的角度，把已知的、自然界存在的一些大自然的杰作，通过基因改造，甚至人工合成，加以材料辅助的手段，把它变成有用的物质在实验室重建，甚至推广到大规模的生产，这个过程我觉得都是创新之美。能让未知的东西，或者自然界本身给你的启发、启迪，带给你实实在在的产品。

我的领域更偏工程，我一直带着一个问题：我能不能加以利用它，改造它；当然，从基础角度，有很多实实在在的科研工作是在研究自然界为什么会这样，或者是某个细胞也好，它为什么具有自我再生的功能，这也是自然界的科学之美。

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