合成生物学（Synthetic biology）是一门由分子生物学、遗传学、信息学、生物物理学支持
，
由
工程学思想引导
的一门
跨领域学科
，其主要目的是利用组学的大量信息以及人工合成核酸的能力
，
设计并组装模块化的生物学原件
，
进而制造出新的生物学系统乃至是
生物学机器
（biological machine）
，也就是
iGEM*中
的「宝石」（
gem）——Genetically Engineered Machine。
在我的理解中
，
合成生物学有三个层次
，
分别是
原件
，
系统
和
生命体
。
首先说
原件
这个层面。从分子生物学的角度来看
，
原件包括启动子
，
基因编码区
，
限制性酶切位点等等这些
功能最基本的
DNA
片段
。使用
DNA
合成、测序以及分子克隆技术
，
我们可以创造出具有新功能的原件
，
或者改善原先存在的原件。这里合成生物学的「合成」在于
DNA
的合成
，
其目的是基因工程的外延。
许多生物学原件可以组装成编码于
DNA
中的
生物学系统
。通过人为的设计和操纵
，
这些系统会具有比单个原件更复杂的行为
，
比如说信号放大、延迟、基因产物的反馈调节等。在这个层面进行探索
，
我们可以
向细胞中引入独特的新功能
，
比如说降解毒素
，
合成塑料
，
感知环境因子等并开发出具有实际意义的生物学产品。在这个层面
，
合成生物学的合成在于基因回路的合成
，
其目的和系统生物学开始重叠
，
并且逐渐具有工程学的面貌。
最难实现的层次便是将许多生物学系统联系起来
，
改造现有的生命为生物学机器
，
使其单方面地、高效地实现特定任务。比如说，我要设计一个去除油污的细菌
，
它首先要能检测环境中油污
，
然后摄取并且使其无害化
，
以其作为能量来源
，并在
油污消失后自我毁灭。这样一个设想便需要将许多分力系统联合起来才能实现。在这个层面
，
合成生物学的意义在于新生命形式的合成
，
其目的与系统生物学重叠
，
并且方法上完全需要生物物理学
，
化学生物学和计算机科学的辅助。
最后我想打个比方
，
总结下这三个层面的递进关系。原件就好比是齿轮和连杆一样
，
是最基本的零部件
，
他们的功能是单一的。系统就好比是汽车动力系统或者是传动系统一样
，
由零部件组合而成
，
开始具备可调的功能
，
并且复杂性提高。最后
，
生物学机器就好比是整个汽车一样
，
由许多系统联合而成
，
具有极高的复杂性和灵活性
，
并且具有实用意义。合成生物学的精髓
，
我看就在于模块化的思想
，
即一步步地设计、组装简单的部件
，
得到更复杂、更实用的系统。
*iGEM，即国际基因工程机器大赛，是合成生物学领域的一大赛事，每年都有来自全球各地的大学生、高中生、研究生组队参加。
