談起合成生物學(xué)的關(guān)鍵推動(dòng)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(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一了生物學(xué)的底層邏輯，被譽(yù)為生物學(xué)歷史上繼進(jìn)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(xué)中心法則

     當(dāng)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(xiàn)的Rosalind Franklin女士不幸于1958年因病離世，加之當(dāng)時(shí)社會(huì)對(duì)女性科學(xué)家的歧視，未能在有生之年獲得應(yīng)有的認(rèn)可。

英年早逝的Rosalind Franklin (1921-1958)

有史以來(lái)最美的一張X射線照片——DNA晶體X射線衍射照片51號(hào)

       到20世紀(jì)60年代，法國(guó)科學(xué)家Francois Jacob和Jacques Monod在研究大腸桿菌基因表達(dá)時(shí)提出了操縱子理論，認(rèn)為基因表達(dá)在細(xì)胞內(nèi)是受到嚴(yán)格調(diào)控的，奠定了設(shè)計(jì)和控制基因表達(dá)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(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

       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(shí)突然顯得有些局促不安，他對(duì)妻子說(shuō)：“我覺得我剛才有了個(gè)重要的想法。”他倆于是走出電影院徑直回家。正如Jacob后來(lái)所寫的那樣，他領(lǐng)悟到了“那東西的本質(zhì)”。

       20世紀(jì)60至70年代，瑞士科學(xué)家Werner Arber、美國(guó)科學(xué)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(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

       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(xué)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(lái)進(jìn)行基因克隆試驗(yàn)的瘋狂想法。1973年初，他們開始試驗(yàn)驗(yàn)證，將EcoRI切割產(chǎn)生的兩種質(zhì)粒DNA片段在體外通過(guò)DNA連接酶共價(jià)連接，將連接獲得的新質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，并通過(guò)抗生素抗性篩選，獲得了導(dǎo)入外源DNA的大腸桿菌，開創(chuàng)了合成生物學(xué)的先河。

餐桌上提出的重組DNA新想法（圖片來(lái)源：PNAS）

     不過(guò)，Stanley Cohen更出名的是關(guān)于細(xì)胞生長(zhǎng)因子的研究，其研究的EGFR后來(lái)成為最重要的癌癥治療靶點(diǎn)，他本人也因此獲得了1986年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。而Herbert Boyer則更敏銳地抓住了基因重組技術(shù)的商業(yè)價(jià)值，1976年,一個(gè)失業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)投資人Robert Swanson找到并說(shuō)服了Herbert Boyer，成立了全球第一個(gè)生物技術(shù)公司——Genentech (Genetic engineering technology的縮寫)。Herbert Boyer也被譽(yù)為“基因工程之父”。

       Genentech的第一個(gè)產(chǎn)品是只有14個(gè)氨基酸的人生長(zhǎng)激素抑制素。Boyer從City of Hope醫(yī)院招聘了兩位化學(xué)家Arthur Riggs和Keiichi Itakura來(lái)完成這個(gè)項(xiàng)目。來(lái)自日本的Itakura專長(zhǎng)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(dá)獲得了人生長(zhǎng)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(dāng)時(shí)與他們競(jìng)爭(zhēng)的還有另一位大牛，哈佛大學(xué)的Walter Gilbert（1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主），但是哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室受到諸多倫理規(guī)則的限制，反而是采用化學(xué)合成DNA的Genentech后來(lái)居上。1978年8月，Riggs帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先使用大腸桿菌重組生產(chǎn)獲得了人胰島素，1982年獲準(zhǔn)上市，使人們擺脫了對(duì)天然牛胰臟的依賴，可以大量廉價(jià)生產(chǎn)胰島素，造福成千上萬(wàn)的糖尿病患者。此后，Riggs又主持主導(dǎo)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(gòu)，成為Roche子公司，但生物技術(shù)老大哥的傳說(shuō)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(xiàng)杰出貢獻(xiàn)，直接促成了價(jià)值至少5000億美元的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)啟動(dòng)，成為合成生物學(xué)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(xué)的先驅(qū)之一），還悄悄貢獻(xiàn)了幾乎全部發(fā)明創(chuàng)造所帶來(lái)的財(cái)富（他曾經(jīng)向?qū)W生自嘲：“我這輩子都在錢里洗澡”）。在過(guò)去的30年，Riggs博士個(gè)人向City of Hope醫(yī)院捐贈(zèng)共計(jì)超過(guò)3.1億美元。

       當(dāng)基因工程發(fā)展如火如荼的時(shí)候，準(zhǔn)確高效的DNA測(cè)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(cè)序法，成為第一代DNA測(cè)序的核心技術(shù)。這位大佬是個(gè)富二代，但并不是天縱奇才，博士畢業(yè)后求職時(shí)因?yàn)闆]有亮點(diǎn)成果，只好給教授們說(shuō)當(dāng)自帶干糧、不拿工資的實(shí)驗(yàn)員。沒想到，從此大力出奇跡，埋頭做實(shí)驗(yàn)的Sanger先后發(fā)明了蛋白質(zhì)測(cè)序技術(shù)和雙脫氧終止DNA測(cè)序技術(shù)，從而于1958年和1980年兩次摘得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（如果不是慢了一步，1968年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)可能也是他），成為歷史上第4位兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的大牛。他有兩名學(xué)生也獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

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

退休后在自家花園的Frederick Sanger

       DNA測(cè)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(dāng)，但天資聰穎的Kary Mullis橫空出世。這位爺在本科學(xué)的是化學(xué)專業(yè)，經(jīng)常自己合成致幻劑；研究生選擇了生物化學(xué)專業(yè)，但其實(shí)并不太懂生物。一次嗑藥之后，Mullis眼前出現(xiàn)了整個(gè)宇宙，仿佛看到了宇宙的源頭，從幻覺中清醒過(guò)來(lái)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(xué)位。

       畢業(yè)之后的Mullis蹉跎了幾年，進(jìn)入一家生物公司Cetus工作。1983年春天的一個(gè)夜晚，磕過(guò)藥的Mullis帶著女友在公路上兜風(fēng)，一個(gè)念頭突然出現(xiàn)在他的腦海中——擴(kuò)增DNA片段時(shí)，如果同時(shí)添加兩條引物，分別擴(kuò)增正義鏈和反義鏈，那么只要引物足夠，豈不是可以無(wú)限循環(huán)地?cái)U(kuò)增下去！Mullis驚呆了，這么簡(jiǎn)潔的思路居然從來(lái)沒人想到過(guò)！但是，拖延癥嚴(yán)重的Mullis直到1983圣誕節(jié)前才成功完成了第一次聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?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(xué)的革命性技術(shù)，Mullis也因此獲得1993年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

Kary Mullis

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