電子計算機是人類最偉大的發明之一。作為一種能夠按照指令對各種數據和信息進行自動加工與處理的電子設備，計算機的出現直接加快了人類向信息化社會邁進的步伐，并深刻地影響着從國民經濟到個人生活的各個方面。

但如今，科學家們已經不滿足于由芯片等材料組成的電子計算機了，而是将目光轉向對細胞的編程，使細胞變成一種“活”的計算機。這就是當下十分熱門的合成生物學（synthetic biology）所涉及的全新領域研究。

合成生物學結合了科學和工程學，以設計和建立（合成）新的生物功能和系統。雖然合成生物學還是個相對較新的研究領域，但是它的出現和發展，将會對生物學、納米制造和醫學等許多領域産生重大影響。

在這個新興領域中，研究人員目前面臨着一項主要挑戰，即在無法插入電子微控制器的情況下，将計算嵌入分子環境。而要做到這一點，人們需要開發一種方法，可以使用分子組件有效地表示計算。

近日，德克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的研究人員創建了 CRN ——一種在執行計算時編程确定的（質量作用）化學動力學的新語言。在他們預發表在 9 月份 arXiv 的論文中，研究人員對該新語言進行了概述，并構建了一個将 CRN 程序翻譯成化學反應的編譯器。

圖丨歐幾裡得算法及其 CRN 語言寫法（來源：Vasic 等）

我們可以拿軟件工程中的程序員編程使用的高級語言來舉例。計算機作為一個隻認識 “ 0 ” 和 “ 1 ” 的機器，并看不懂程序員寫好的一個複雜程序，但是，如果依着計算機能看懂的機器代碼來編程，累死程序員且不說，根本就難以實現當今大規模複雜的軟件開發需求。所以，這個時候就出現了便于程序員編程使用的高級語言，寫好的高級語言程序隻需由編譯器自動編譯為計算機看得懂的機器代碼即可。

圖丨此次的論文（來源：arXiv）

在合成生物學中，其中最主要的思路就是，利用計算機工作原理，将細胞作為硬件，基因作為軟件，來組裝成一個人工的全新生物體，以實現人們的預期目标。雖然近年來 DNA 合成的發展已經為分子工程開辟了令人興奮的可能性，然而合成生物學的研究人員想要實現更複雜的預期目标，就必須首先設計一種能夠以更直觀的方式表達化學反應行為的高級語言。

“設計化學控制器，使之能夠在細胞環境下相互作用并完成特定任務，是合成生物學的關鍵技術挑戰，”本次研究的成員之一 Marko Vasic 表示，“為了實現這一目标，有必要設計合成分子并對其進行編程。分子通過化學反應相互作用，我們想要通過編程分子，定義其間相互作用的規則（化學反應）。”

（來源：GitHub）

在合成生物學領域中發明一種便于使用、易于理解的高級語言，并能夠編譯成各種複雜的化學過程，這便是 CRN 開發人員的主要設想。

CRN 的設計主要基于兩點：模塊化及振蕩器的使用。模塊化意味着該語言包括一套被稱為 “模塊” 的化學反應，這些反應可以在不同的反應集之間組成，且不受幹擾。為實現這一目标，研究人員将 CRN 的基本操作映射到這些模塊中。這就相當于軟件開發過程中，功能模塊化意味着可以根據需要，将這些功能模塊自由組合。此外，化學振蕩器的使用，意味着研究人員能夠将已排序的語言命令，按時間排序轉換為化學命令。

（圖片來源：IT PRO）

作為一種全新的分子編程語言，CRN 解決了将常見的命令式構造嵌入到同時發生的一系列化學反應和操縱實值濃度的關鍵挑戰。研究人員已經對 CRN 進行了評估，并證明了其在一系列離散和實值計算算法上的可行性。

“當然，在将 CRN 翻譯成化學過程的程序中也包含一些錯誤，這些錯誤在某些類别的程序中可能非常低，但在有些程序中則可能很高，或者會随着時間的推移越積越多，” Vasic 說，“因此，我們計劃對錯誤來源進行進一步的研究，并設計程序以确保即使錯誤堆積，也不會超過限制。”

研究人員不僅提出了 CRN 的語法和語義，并且構建了一個将 CRN 程序翻譯成化學反應的編譯器，更重要的是，這一新語言還可以輕松擴展，支持新的命令或操作，這為開發更強大和實用的分子程序奠定了基礎。

接下來，Vasic 和他的同事們也将通過納入新模塊來擴展他們的編程語言，當然，這些新模塊需要是被定義為可以執行基本操作的化學反應集。

圖丨編譯器的輸出以及 CRN 程序的模拟結果（來源：Vasic 等）

“據我們所知，我們是提供符合化學反應網絡的命令式編程語言的第一人，” Vasic 說，“我們開源了我們的代碼，包括 CRN 和模拟框架，希望這能夠使研究人員更容易地嘗試新方法，從而進一步推進合成生物學領域的發展。”

盡管科學家們在合成生物學方面做的各項研究和實驗還處于初級階段，但毋庸置疑，合成生物學将催生下一次生物技術革命。

自 2000 年《自然》雜志報道了人工合成基因線路研究成果以來，合成生物學研究在全世界範圍引起了廣泛的關注與重視，合成生物學所創造的這種有生命的、具有計算機功能的活細胞，被認為可以解決許多人類現在難以解決的問題，在醫學、制藥、化工、能源、材料、農業等領域都有廣闊的應用前景。

2002 年，美國紐約州立大學 Wimmer 實驗室制造了曆史上第一個人工合成的病毒——脊髓灰質炎病毒，開辟了利用已知基因序列，不需要天然模闆，從化學單體合成感染性病毒的先河；2006 年，Blattner 實驗室通過序列對比，精準删除大腸杆菌 MG1655 基因組中不穩定片段和非必需功能基因，獲得了高效電轉化、準确重組、穩定的基因和質粒；2010 年，Venter 研究所在《科學》雜志上報道了首例 “人造細胞” 的誕生，這是地球上第一個由人類制造并能夠自我複制的新物種。

到了 2018 年 8 月，《自然》雜志報道了中國科學院上海生命科學研究院植物生理生态研究所覃重軍團隊，使用目前業界非常熱門的 CRISPR 基因編輯技術，合成出全球首例隻有１條染色體的 “簡版” 酵母菌株。CRISPR 也成為醫學領域非常有前景的工具，用于幹涉和修正基因組缺陷。

近十幾年來，除了對現有天然生物系統的重新設計，科學家們還緻力于新的生物元件、組件以及系統的設計和開發，并最終實現每個生物元件可以像計算機組件那樣進行操作，目前在基因振蕩器、計數器、邏輯門等方面都已經取得了矚目成果，而類似于 CRN 這樣的分子編程語言的出現，無疑又為合成生物學的版圖添上重要一筆，相信其未來将會給我們帶來更多驚喜。

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