生物工程师构建用于对细胞编程的开源语言

Image: Steve Jurvetson/Flickr.

Drew Endy 想要构建一套针对生命体的编程语言。

Endy 是国际前沿生物技术开放实验室(简称BIOFAB)主任,他所在的团队正在开发一种将遗传学数据用于程序化地构造真实生物细胞的语言。这看起来像是科幻小说里的情节,但这个项目已经在进行中了,并且该团队正考虑将此语言开源,以便其他的科学家使用、修改和完善。

该项目在采集遗传学数据并用于直接改进生物体行为特征(此过程被称为生物工程)的热潮中占据了一席之地。最高法院在研究基因是否可以申请专利的问题,这使生物工程领域处于一个交叉路口,但像Endy这样的科学家们仍然在埋头推进这项技术的发展。

基因包含了决定特定细胞功能的信息,而一些基因组片段在不同类型的细胞和器官中的自我表达是基本相同的。这一特性使得Endy和他的团队能够构造一种语言,让科学家们用它来仔细地人工构造基因表达,也就是他们说的“介于基因组和所有生命动态过程之间的层次”。

根据卡耐基梅隆大学的计算生物学家 Ziv Bar-Joseph 的说法,基因表达和计算机系统相互通讯的方式并没有太多不同。你可以在不同的系统中都看到相同的做法。他说:“在计算领域也是很常见的”。实际上,自从60年代开始,造出来的计算机的运行过程就很像细胞和其他生物系统。它们都有自我容纳的操作和相互交换信息的标准途径。

“在合成生物学领域,对应Java虚拟机的是你可以在任意类型的细胞里构建你自己的房室,这样你合成的DNA不会互相混淆。”
— Drew Endy

BIOFAB项目还处于早期阶段。Endy和他的团队正在构建最基本的单元模块–该语言的“语法”部分。他们最近的进展是找到了控制和增强从基因组传给细胞的信号的方法,该发现发表在《科学》杂志上。Endy将这个过程与老式电报作了类比。

“如果你想从旧金山向洛杉矶发一封电报,信号会在电线沿途不断衰减,”他说。“在中间某个地方,在信号彻底衰减为噪声之前,你必须有个中继系统来监测信号并将其增强,才能持续地将其传输下去。”

没错,他的想法就是创建一个能够在不同类型的细胞之间运转的系统。在九十年代,计算领域致力于创建一个通用的编程平台,用于编写能运行于异构系统之间的应用,这就是被称为Java虚拟机的平台。Endy希望在生物学领域复制Java虚拟机。

“Java开发的软件可以在许多不同硬件和操作系统的平台上运行。这种可移植性来自于Java虚拟机,它构建了一个跨各种平台的通用运行环境,使得Java代码能在保持一致的本地环境中运行。”他说。

“在合成生物学领域,和Java虚拟机对等的可能是你可以在任意类型的细胞里创建房室,这样你合成的DNA不会互相混淆。这种生物学虚拟机可以在一个房室里运行,使该房室提供一个运行你的DNA代码所需的通用沙盒。”

根据Endy介绍,这个思路起源于5年前旧金山的亚伯拉罕·林肯中学的一群学生,而他现在正呼吁商业公司参与在生物学领域重建当年Sun公司的Java愿景。不过,值得注意的是,其实Sun的这个愿景从来都没有变为现实,而且Sun公司也已经成了昨日黄花。

不管怎样,这就是Endy尝试的方向:就如同Sun公司对开源软件的拥护一样。BIOFAB语言将免费对所有人开放,并且它会成为一个协作项目。

研发进展很慢,不过趋势还不错。目前,该团队能以“非常高的可靠性”让细胞一次表达多至10个基因。一年前,他们需要尝试700次才能勉强让细胞表达一个基因。有了合适的编程语言,他说,在这十年里就可以让表达数达到100个以上。他们的目标是使该语言对输出的基因不敏感,这样细胞就能表达用户需要的任何基因,非常类似于程序中的打印函数,不管你传过去的是哪种字符集它都能工作。

对于那些对人造细胞感到恐惧,觉得那是生物学的噩梦并会给世界带来浩劫的人们,他想说的是,“生物技术有可能走向错误的方向。它有可能对人类造成伤害。它有可能会被不负责任地使用。一些混蛋们可能会滥用它。任何事情都是有可能的。但是请注意我们并不是在真空中生活。”他说,“技术发展史上有很多先例是把好的应用开发出来,把切实可行的法规制定出来,并随着技术的发展而更新它。在技术持续变化的时候,我们需要保持警觉。这就是技术进步中司空见惯的现实情况。”

他相信这项工作不仅仅是重要的,而且比整个世界所认识到的更接近现实。“我们的整个文明依赖于生物学。我们需要想办法更好地与大自然和谐共处,在不破坏环境的前提下创造我们所需的东西,”Endy说,“我觉得有点惊喜的是,来自其他技术方向的人们也开始参与进来,直接提供帮助,并开始构建这种程序化建造生命的通用语言。这是很重要的。”

 

英文原文:Wired,编译:@老码农的自留地

译文链接:http://blog.jobbole.com/38732/

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