談起合成生物學的關(guān)鍵推動人，James Watson和Francis Crick是繞不開的兩座豐碑，他們與Maurice Wilkins因發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)獲得了1962年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。這項發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一了生物學的底層邏輯，被譽為生物學歷史上繼進化論之后最重要的突破。

正在討論DNA雙螺旋模型的 Watson (左) 和 Crick (右)

生物學中心法則

     當然，讓人意難平的是，在DNA晶體結(jié)構(gòu)X射線衍射研究中上做出杰出貢獻的Rosalind Franklin女士不幸于1958年因病離世，加之當時社會對女性科學家的歧視，未能在有生之年獲得應(yīng)有的認可。

英年早逝的Rosalind Franklin (1921-1958)

有史以來最美的一張X射線照片——DNA晶體X射線衍射照片51號

       到20世紀60年代，法國科學家Francois Jacob和Jacques Monod在研究大腸桿菌基因表達時提出了操縱子理論，認為基因表達在細胞內(nèi)是受到嚴格調(diào)控的，奠定了設(shè)計和控制基因表達的理論基礎(chǔ)。1965年他們因“有關(guān)酶的遺傳控制和病毒合成的發(fā)現(xiàn)”而獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。

       據(jù)Jacob的妻子回憶：1958年7月的某一天，Jacob與妻子在巴黎看電影時突然顯得有些局促不安，他對妻子說：“我覺得我剛才有了個重要的想法。”他倆于是走出電影院徑直回家。正如Jacob后來所寫的那樣，他領(lǐng)悟到了“那東西的本質(zhì)”。

       20世紀60至70年代，瑞士科學家Werner Arber、美國科學家Hamilton Smith和Daniel Nathans先后發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶及其應(yīng)用（詳見 限制酶的前世今生），為基因工程提供了有力的工具。他們也因此獲得了1978年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

       1968年，Herbert Boyer從大腸桿菌中分離到了目前最常用的限制酶之一EcoRI。1972年11月，在夏威夷海灘的一家飯館中，一群科學家（包括Herbert Boyer，Stanley Cohen等）在一張餐巾紙上寫下了利用Boyer發(fā)現(xiàn)的限制酶EcoRI和Cohen分離的攜帶抗生素抗性基因質(zhì)粒來進行基因克隆試驗的瘋狂想法。1973年初，他們開始試驗驗證，將EcoRI切割產(chǎn)生的兩種質(zhì)粒DNA片段在體外通過DNA連接酶共價連接，將連接獲得的新質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，并通過抗生素抗性篩選，獲得了導入外源DNA的大腸桿菌，開創(chuàng)了合成生物學的先河。

餐桌上提出的重組DNA新想法（圖片來源：PNAS）

     不過，Stanley Cohen更出名的是關(guān)于細胞生長因子的研究，其研究的EGFR后來成為最重要的癌癥治療靶點，他本人也因此獲得了1986年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。而Herbert Boyer則更敏銳地抓住了基因重組技術(shù)的商業(yè)價值，1976年,一個失業(yè)的風險投資人Robert Swanson找到并說服了Herbert Boyer，成立了全球第一個生物技術(shù)公司——Genentech (Genetic engineering technology的縮寫)。Herbert Boyer也被譽為“基因工程之父”。

       Genentech的第一個產(chǎn)品是只有14個氨基酸的人生長激素抑制素。Boyer從City of Hope醫(yī)院招聘了兩位化學家Arthur Riggs和Keiichi Itakura來完成這個項目。來自日本的Itakura專長合成DNA，Riggs則思維更加活躍。1977年，他們克服重重困難，成功地利用合成的DNA重組表達獲得了人生長激素抑制素。隨后他們迅速開始了生產(chǎn)人胰島素的嘗試。當時與他們競爭的還有另一位大牛，哈佛大學的Walter Gilbert（1980年諾貝爾化學獎得主），但是哈佛大學實驗室受到諸多倫理規(guī)則的限制，反而是采用化學合成DNA的Genentech后來居上。1978年8月，Riggs帶領(lǐng)團隊率先使用大腸桿菌重組生產(chǎn)獲得了人胰島素，1982年獲準上市，使人們擺脫了對天然牛胰臟的依賴，可以大量廉價生產(chǎn)胰島素，造福成千上萬的糖尿病患者。此后，Riggs又主持主導開發(fā)了重組生產(chǎn)人源化單克隆抗體的技術(shù)，為治療癌癥、自身免疫性疾病、失明和其他疾病奠定了重要基礎(chǔ)。目前全球年銷售額前10的藥物中，半數(shù)以上都是單克隆抗體藥物。雖然Genentech于2009年被Roche收購，成為Roche子公司，但生物技術(shù)老大哥的傳說仍然在江湖上延續(xù)。

工作中的Arthur Riggs（右）和Keiichi Itakura（左）

       Riggs的這兩項杰出貢獻，直接促成了價值至少5000億美元的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)啟動，成為合成生物學產(chǎn)業(yè)化的奠基人。更令人欽佩的是，Riggs博士除了致力于科研（他還是表觀遺傳學的先驅(qū)之一），還悄悄貢獻了幾乎全部發(fā)明創(chuàng)造所帶來的財富（他曾經(jīng)向?qū)W生自嘲：“我這輩子都在錢里洗澡”）。在過去的30年，Riggs博士個人向City of Hope醫(yī)院捐贈共計超過3.1億美元。

       當基因工程發(fā)展如火如荼的時候，準確高效的DNA測序成為迫切需要解決的問題。1977年，F(xiàn)rederick Sanger發(fā)明了雙脫氧鏈終止DNA測序法，成為第一代DNA測序的核心技術(shù)。這位大佬是個富二代，但并不是天縱奇才，博士畢業(yè)后求職時因為沒有亮點成果，只好給教授們說當自帶干糧、不拿工資的實驗員。沒想到，從此大力出奇跡，埋頭做實驗的Sanger先后發(fā)明了蛋白質(zhì)測序技術(shù)和雙脫氧終止DNA測序技術(shù)，從而于1958年和1980年兩次摘得諾貝爾化學獎（如果不是慢了一步，1968年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎可能也是他），成為歷史上第4位兩次獲得諾貝爾獎的大牛。他有兩名學生也獲得了諾貝爾獎。

       1983年的一天，正在做實驗的Sanger突然感到自己已經(jīng)老了，于是停下工作，走出實驗室關(guān)上門，宣布退休，給世界留下了一個瀟灑離去的背影。

退休后在自家花園的Frederick Sanger

       DNA測序得到了解決，下一步就是如何快速大量獲得DNA片段。從小就吊兒郎當，但天資聰穎的Kary Mullis橫空出世。這位爺在本科學的是化學專業(yè)，經(jīng)常自己合成致幻劑；研究生選擇了生物化學專業(yè)，但其實并不太懂生物。一次嗑藥之后，Mullis眼前出現(xiàn)了整個宇宙，仿佛看到了宇宙的源頭，從幻覺中清醒過來后的Mullis迅速提筆記下在幻覺中看到的一切，最終寫成了論文投給Nature，居然還發(fā)表了，于是稀里糊涂拿到了博士學位。

       畢業(yè)之后的Mullis蹉跎了幾年，進入一家生物公司Cetus工作。1983年春天的一個夜晚，磕過藥的Mullis帶著女友在公路上兜風，一個念頭突然出現(xiàn)在他的腦海中——擴增DNA片段時，如果同時添加兩條引物，分別擴增正義鏈和反義鏈，那么只要引物足夠，豈不是可以無限循環(huán)地擴增下去！Mullis驚呆了，這么簡潔的思路居然從來沒人想到過！但是，拖延癥嚴重的Mullis直到1983圣誕節(jié)前才成功完成了第一次聚合酶鏈式反應(yīng)（PCR）。PCR技術(shù)使人們可以方便、快速獲得大量DNA片段，是生物學的革命性技術(shù)，Mullis也因此獲得1993年諾貝爾化學獎。

Kary Mullis

     這些科學先驅(qū)在20世紀的努力，從理論和技術(shù)上都為合成生物學的誕生奠定了重要的基礎(chǔ)。在世紀之交，現(xiàn)代意義上的合成生物學已經(jīng)呼之欲出。