有关合成生物学的一些报道给人的感觉是：操纵生命的能力似乎仅仅被想象力操控。或许不久以后，研究人员可以对细胞进行“编程”，从可再生来源（renewable source）中生产出大量的生物燃料，或检测毒素的存在，或按照人体的需要释放精确的胰岛素，等等。
对合成生物学的发展，媒体的报道曾引发人们对其未来充满了憧憬。现实是，该领域还有许多有待攻克的瓶颈
由于所有的生命都建立在大致相同的遗传密码之上，而合成生物学能够提供可重复使用的遗传成份的工具箱――生物学版本的“晶体管”和“开关”――以便任意插入“电路”。受到激励的生物学家们似乎认为基因工程可以扩展到所有的领域，具体做法是：行使所需功能的遗传序列，即把某些“部件”表征出来，形成“装置”以获得更复杂的功能，然后把这些“装置”插入细胞中。
但随着合成生物学网络不断增大，困难也随之增大，设计更复杂系统的能力也因此受到了限制，从部件的表征到系统的设计和构建，其过程中的每一步挑战都隐约可见。正在哈佛医学院从事合成生物学研究的克里斯蒂娜·阿加帕基斯（Christina Agapakis）认为，尽管“存在很多阻碍工程学的生物学问题。”但这还不足以阻止合成生物学领域的开拓者们，他们已经在着手解决以下5个关键的挑战。
挑战1：很多部件不明确
生物部件可以是从编码特异蛋白质的DNA序列到启动子（即促进基因表达的序列）的任何东西，问题是很多部件还没有被表征清楚。即使进行过测试，它们的性能也会随细胞类型的不同或不同的实验室条件而改变。
例如，设在麻省理工学院的“标准生物部件登记处”已有超过5000个可以订购的部件，但不能保证它们的质量，该登记处主任兰迪·雷特伯格（Randy Rettberg）说。其中大多数部件是由参加国际遗传工程机器设计大赛（iGEM）的大学生呈报上来的，该大赛开始于2004年，每年举办一次。在比赛中，学生们用从“工具箱”中拿来的部件或自己开发的新部件来设计合成生物系统。但是，很多参赛者没有时间表征这些部件。
来自意大利帕维亚大学的一个iGEM参赛团队，在优化微生物中的乳糖发酵时，通过把启动子放置在大肠杆菌（一种标准的实验室细菌）中，检测了取自“标准生物部件登记处”的一些启动子。尽管该团队检测的大部分启动子都能工作，但其中的几个启动子几乎没有文献报道，包括一个启动子没有活性。雷特伯格说，大约1500个登记处部件已被其他人、而不是当时存放它们的人证实过，其中50个部件据报道是不成功的，200个部件被报道有“问题”，剩余部件中究竟有多少已被检测，目前尚不清楚。
加州大学伯克利分校的合成生物学家亚当·阿金（Adam Arkin）、杰伊·科斯林（Jay Keasling）和斯坦福大学的德鲁·恩迪（Drew Endy）正在发起一项新的名为“BIOFAB”的计划，以便开发和表征新的和已存在的部件。阿金说，2009年晚些时候，他们获得了美国科学基金会140万美元的经费，现正在招聘工作人员。同时，恩迪还提出了减少不同实验室测量值中某些变异性的方法：通过测定和参考相关启动子的活性，而不是测定其绝对活性。恩迪发现，这种方法能消除50 %由实验条件和实验设备引起的测量值的变化。
这些"部件"工作起来就像乐高积木（Lego）。像这些刊登在《纽约客》和《连线》杂志上的图片，它们把合成生物学描绘成简单的设计和构建。而事实是，很多部件还没有被表征好，或以不同的构型、在不同的条件下以我们无法预言的方式工作
不过，使用标准化进行测量是很棘手的。例如，在哺乳动物细胞中，引进细胞的基因往往不可预测地被整合进细胞的基因组，时常影响邻近区域的基因表达。苏黎世瑞士联邦理工学院的合成生物学家马丁·傅森格（Martin Fussenegger）说：“这种复杂性是非常难于用标准化表征方法捕捉到的。”
挑战2：电路系统难预料
科斯林说，即使每个部件的功能是已知的，然而当这些部件组合在一起时，它们也可能不会像期望的那样工作。合成生物学家经常被试错法（trial-and-error）过程所困扰，这和其他现代工程学中发现的、具有更多预测性的设计程序不同。
“我们仍像莱特兄弟（飞机发明者）一样，把木头和纸装配在一起，”西班牙巴塞罗那基因组调控中心的合成生物学家路易斯·塞拉诺（Luis Serrano）说，“你放飞了一种东西，它坠毁了，然后你再尝试另一种东西，或许它飞得好一点。”
波士顿大学的生物工程师吉姆·柯林斯（Jim Collins）及其同事，试图在酵母中构建一个被称为“切换开关”（toggle switch）的系统时，遭遇了不少挫折。他的实验室曾在10年前于大肠杆菌中构建了一个“切换开关。当初他们想让细胞只表达一个基因――或称基因A、基因B――用化学信号刺激细胞以关闭基因A并表达基因B。但是，这些细胞拒绝连续表达B，并总是转回到表达A。柯林斯说，问题在于控制这两个基因的启动子是不平衡的，A压倒了B。为了让系统工作，他们花了大约3年的时间来调整它。
计算机建模有助于减少这种调整。在2009年发表的一项研究中，柯林斯和同事创建了几个稍有不同的版本。他们用两个启动子各自创建了一个基因计时器（genetic timer），这是一个能使细胞从表达一个基因切换到表达另一个基因（经过一定的时滞）的系统。通过检测计时器，他们将结果反馈给计算模型，并预测从其他版本构建的计时器将会如何表现。柯林斯说，使用这种建模技术，研究人员能够通过计算的方式优化网络中的每个版本，而无需检测每个版本。
但是，设计出来的系统或许工作起来并不完美：不完美的系统能用一种被称为“定向进化”（directed evolution）的过程来精炼，加州理工学院的化学工程师弗朗西斯·阿诺德（Frances Arnold）说。定向进化包括针对DNA序列发生突变、匹配最好的候选对象和对其性能进行筛选，重复这个过程直到系统达到最优。例如，阿诺德的实验室正在用这项技术进化生物燃料生产中涉及到的酶。
挑战3：复杂性难以处理
随着电路越来越大，构建和检测它们的过程将变得更加令人畏惧。科斯林团队开发的一个系统，或许是这个领域目前最常引用的成功范例――用大约12个基因在微生物中生产抗疟药青蒿素的前体。科斯林估计，该系统花费了大约150人/年（工作量计算单位，表示一个人一年完成的工作量――译者注）的工作量，包括揭示参与反应途径的基因、开发或改善部件以控制基因的表达。例如，研究人员不得不检测很多部件的变异型，最后才发现一个能充分增加酶产量的结构，而这种酶是清除一种有毒的中间分子所必需的。
设在波士顿的一家新成立的公司――“银杏生物工作室”（Ginkgo BioWorks）的共同创办人雷希玛·谢蒂（Reshma Shetty）说：“人们甚至还没有思考过应对这些项目，因为这要花费太多的经费和时间。”为了解除相似的技术瓶颈，银杏生物工作室正在开发一种联合基因部件的自动化过程。这些部件已经预定义了侧翼序列（flanking sequence），该序列由一套被称为“生物砖标准”（BioBrick standard）的规则决定，且这些部件能被机器人组装起来。
在伯克利，合成生物学家J·C·安德森（J. C. Anderson）和同事正在研制一种让细菌做这项工作的系统。在这个系统中，被称为“装配器”（assembler）的工程大肠杆菌（E.coli）细胞，“配备”上能剪切DNA部件和把DNA部件缝合在一起的酶。其他的大肠杆菌细胞，被设计成担当“选择”（selection）细胞，将从剩余的DNA部件中挑选出完整的产物。安德森的团队还计划使用被称为“噬菌粒”（phagemid）的病毒样微粒，把DNA从“装配器”运送到“选择”细胞。安德森说，这个系统能缩短“生物砖”装配阶段所需的时间――从2天缩短到3个小时。
挑战4： 很多部件不相容
细胞能被简单地"电线"接上。《科学美国人》（上）和《光谱学》杂志把合成生物学描绘成与微芯片设计和安装电线相似。尽管计算建模可能帮助科学家预测细胞的行为，然而细胞是一个复杂的、多变的、进化的操作系统，完全不同于电子学
一旦合成的基因回路被构建并放进细胞中，它们就能对其宿主产生非预期的影响。加州大学旧金山分校的合成生物学家克里斯·沃伊特（Chris Voigt）在2003年就遇到了这个问题。沃伊特把主要来自枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的基因部件组装进一个开关系统（该系统可对一种化学刺激做出反应――开启某些基因的表达），并想独立于其他基因网络单独研究这个系统，于是他把这个回路放进大肠杆菌中――但不起作用。
“你在显微镜下观察，大肠杆菌细胞都是病态的，”沃伊特说，“某天它在做一件事，另一天它又将做另一件事。”最后他查阅文献发现，这个基因回路中的一个部件戏剧性地破坏了大肠杆菌的自然基因表达。“基因回路的设计没有任何问题，”他说，“仅仅是一个部件不兼容。”
杜克大学的合成生物学家尤凌崇（Lingchong You，音译，中国科技大学毕业）和同事发现，甚至一个简单的、包含一个能启动其自身表达的外源基因的回路，就能引发宿主细胞中复杂的行为。当这个回路在大肠杆菌中被激活时，它能减缓细胞的生长，转而放慢基因表达产物蛋白质的稀释速度，并导致了一个被称为“双稳态”（bistability）的现象：一些细胞表达了这个基因，而其他的细胞没有表达。
为了减少意外的相互作用，研究人员正在开发独立于细胞自然机制之外运转的“正交”系统。英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的合成生物学家詹森·钦（Jason Chin）和同事，创建了一种在大肠杆菌中生产蛋白质的系统――该系统与细胞的固有系统是分离的。为了把DNA转录成RNA，该团队使用了一种识别基因的聚合酶，只是在基因有特定的、细胞天然基因中不存在的启动子序列时，聚合酶才能识别这些基因。同样地，该系统的正交“O-核糖体”只能读取包含一个特定序列的“O-mRNA”，细胞中的天然核糖体无法读取O-mRNA。
钦说，一个并行的系统给了生物学家不用破坏细胞存活所必需的机制而将部件“拧”在一起的自由。他说，他的团队把编码O-核糖体部件的DNA序列拆开以加速生产，这能允许细胞更快地启动制造蛋白质。
另一种解决方案是，用物理方法从细胞的其余部分中分离出合成的网络。加州大学旧金山分校的合成生物学家温德尔·利姆（Wendell Lim）正在用创建的“膜结合小室”（membrane-bound compartment）进行实验，这种小室能把基因回路隔离开来。利姆的团队正在用酵母做实验，不过相似的原理也适用于细菌细胞。
挑战5：可变性会毁掉系统
合成生物学家还必须确保基因回路可靠地运行。细胞内的分子活动易受随机波动和噪音的影响，生长条件的变异也能影响细胞的行为。因此，在今后很长的时间里，随机出现的基因突变完全可能毁掉基因回路的功能。
大约10年前，当加州理工学院的合成生物学家迈克尔·伊洛维兹（Michael Elowitz）领导的团队在构建一个基因振荡器（genetic oscillator）时，他观察到了细胞的随机性能力。这个系统包含3个基因，而3个基因之间的相互作用导致了一种荧光蛋白产量的升高或降低，使细胞发出或不发出荧光。不过，并非所有的细胞都有同样的反应。一些细胞更亮，一些较暗；一些闪光更快，一些较慢，还有一些细胞则完全跳过一个闪光周期。
伊洛维兹说，这种差异的出现有多种原因。细胞能以爆发的方式表达基因，而不是以稳定的“溪流”方式。细胞还可能包含不同数量的mRNA和蛋白质产生机制，例如聚合酶和核糖体。而且，细胞中基因回路的拷贝数能随着时间的推移而波动。
2008年，加州大学圣地亚哥分校的合成生物学家杰夫·海斯迪（Jeff Hasty）和同事几乎用一致口吻描述了一个振荡器：该团队使用不同的回路设计和能对生长条件进行精确控制的微流体装置，使几乎每个受调控的细胞都以相同的速率发出荧光――尽管不是同步的。
在对待噪音问题上，海斯迪认为研究人员应根据需求使用，而不是设法消除它。“噪音在物理学上有时能产生更易于检测的信号”，海斯迪说，“我认为你不能打败噪音，因此你应该设法利用它。”
哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇（George Church）正在探索更稳定的细菌菌株方法。他说，这可能要通过引入更精确的DNA复制机制、改变基因组使之不易发生突变和向细胞中放进额外的基因组拷贝等获得。尽管对简单的系统来说，稳定性可能不是一个严重的问题，但是随着组装更多的部件，这个问题将变得尤其重要。
实现的时代已到来？
《自然》用史无前例的一个承诺把合成生物学家描绘成有能力"出租"生命的人（右）；在民间团体组织ETC编写的《合成生物学指南》中，甚至把合成生物学家的举动比作上帝。但事实上，合成生物学领域还有待推出更多的实际应用
尽管面临上述种种挑战，但合成生物学家已经取得了不少进展。研究人员近来开发出的几种系统，能允许大肠杆菌计算一些项目（如分裂次数）以及检测光亮和黑暗的边界，还有一些系统已经从细菌发展到更为复杂的细胞，这个领域正在开始走向主流。傅森格说：“合成生物学家开发更加现实的应用的时代已经来到。过去这个领域曾被大肆宣传，现在则需要努力地去实现。”
科斯林的青蒿素前体系统即将实现商业化，总部设在巴黎的赛诺菲·安万特制药公司的目标是2012年前拥有工业化生产规模的可用产品。另外，还有几个公司正在致力于通过工程微生物生产生物燃料。但是，大多数应用仍需时日。
随着DNA合成费用继续下降，以及越来越多的人开始“修补”生物部件，这个领域还能前进得更快。现在的问题是，生物学的复杂性是否能屈服于我们付出的努力？
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣
