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Synbio 堆栈,第 1 部分

介绍

我每天都会问自己几个问题:我们如何养活 100 亿人,而不在我们曾经拥有农场的地方造成沙漠?我们如何才能确保我们不会全部死于疾病,而又不将健康仅限于那些买得起奢侈品的人?我们如何才能扩大制造业产出,让全球更多人享有更高的生活水平,同时减少对生态的影响并阻止气候变化?对我来说,这些都是 21 世纪的大问题。他们都有生物技术的答案。唯一的问题是,今天我们创建生物技术答案的速度不够快,无法满足我们对解决方案的巨大需求。这就是我们需要 Synbio Stack 的原因。我们需要一个技术生态系统,使人类构建生物技术解决方案的能力提高一百甚至一千倍。本文介绍的是该生态系统——正在创建的“技术堆栈”,它将帮助我们创建所需的拯救世界的生物解决方案。

什么是技术栈?

“堆栈”是一种技术组合,可以使巨大的复杂性变得易于管理。他们将大型系统的各个部分分成“抽象层”,从而掩盖了一些复杂性,因此设计人员可以专注于当前需要设计的部分,而无需考虑所有其他复杂的部分。 Stephen Wolfram 在 1986 年阐述了这个想法:

“系统的组件应该以某种形式的层次结构进行排列。层次结构中较高的组件应该为层次结构中较低的组件集提供总体控制,这些组件可以被视为单个单元或模块。这一原则对于软件工程至关重要,其中模块通常是子例程。在生物学中,器官和特定身体部位的存在也体现了这一点,显然是通过遗传密码中类似子程序的结构来反映的。” ——复杂性工程方法(Stephen Wolfram,1986)

对于像具有数十亿个晶体管的 CPU 或具有数万亿个分子的细胞这样复杂的东西,以这种分层方式组织事物对于任何类型的工程工作都至关重要。沃尔夫勒姆继续说道:

“模块化的一个重要方面是它使抽象成为可能。一旦特定模块的构造完成,该模块就可以被视为单个对象,并且无论该模块出现在何处,只需要考虑其整体行为。因此,模块化将构建或分析系统的问题分为多个级别,从而有可能使每个级别都易于管理。” ——复杂性工程方法(Stephen Wolfram,1986)

通过将一个大的复杂问题分割成更小、更简单的部分并相互堆叠,复杂的问题变得更容易解决。Web 开发的一个著名例子是 LAMP 堆栈(Linux、Apache、MySQL、PHP)。如果你用 Google 搜索一下,你会发现许多关于如何使用 LAMP Stack 创建 Web 应用程序的教程,以及解释它的图表,如下所示:

LAMP 堆栈

图 1:LAMP 堆栈。 LAMP堆栈的神奇之处在于,如果你正在制作一个Web应用程序,你可以留在顶层并编写一些PHP脚本,而不需要考虑在底层的操作系统层控制进程。现在您不需要成为一名专业的计算机科学家来制作网站,而只需了解一些简单的脚本即可。这向我们指出了有关堆栈的另一个重要事项:相同的抽象层可以由不同的技术填充。在我们的 LAMP 示例中,抽象层是(从下到上)操作系统、Web 服务器、数据库服务器和脚本语言;填充这些抽象层的技术是 Linux、Apache、MySQL 和 PHP。

这些相同的抽象层可以由不同的技术填充以创建其他堆栈,例如广泛使用的 MEAN Stack,它使用 MongoDB、Express.js、AngularJS 和 Node.js 作为堆叠在一起的特定技术。现代 Web 开发堆栈已在很大程度上过去了如今,LAMP 和 MEAN 已成为现实,但 LAMP 仍然是互联网上最常见的技术组合之一(来源),因为它是第一个使几乎任何人都可以建立网站的技术组合。这就是堆栈的力量:它可以让人们做一些没有它就无法处理的事情,让人们能够访问以前许多人无法企及的技术,并以数量级加速开发。

为什么“堆栈”对生物学很重要?

生物学是如此复杂,我们对其进行工程设计的唯一机会是使用一个堆栈(或多个堆栈)。Drew Endy 在他 2003 年的《自然》评论“工程生物学基础”中第一个阐述了这个想法。在那里,他将“标准化、解耦和抽象”确定为构成“合成生物学”新学科的关键要素。这三个工程概念位于自 20 世纪 70 年代第一个限制性内切酶用于重新编程 DNA 以来一直在开发的基因工程工具之上,它们共同创造了一种新的生物技术方法,我们称之为“synbio”。这段视频显示了德鲁 2007 年在白板上提出的这一论点。

https://youtu.be/XIuh7KDRzLk?si=8DA74aDsSktaFxH5

Rob Carlson 在其 2010 年出版的《生物学就是技术》一书中进一步发展了这一想法卡尔森追溯了抽象层开发的历史,它使得我们今天认为理所当然的极其复杂的飞机和集成电路的设计和工程得以实现。在这里,他引用了互联网最早的开发者之一、Ginkgo Bioworks 联合创始人汤姆·奈特 (Tom Knight) 的话:

“我们有机会利用我们的复杂性和信息管理工具来模块化、抽象和理解生物系统。就像我们从物理学中简化和抽象组件以允许我们构建数十亿组件处理器一样,我们可以并且将会模块化、抽象和理解生物组件,其明确目标是构建人工生化和生物系统。” - Tom Knight,引自《生物学就是技术》(Rob Carlson,2010)

Synbio Stack 的创建将使人们摆脱对单个 DNA 碱基对的思考,这样他们就可以专注于设计新的生物应用。对于更多的人来说,利用生物技术创造新的应用将变得比以往任何时候都容易,使他们能够为人类当今面临的巨大生存问题找到解决方案。

什么是 Synbio Stack?

如果抽象层对于工程生物学如此重要,那么所有不同的层是什么?哪些技术可以填补这些空白?分割这块蛋糕的方法有很多种,每个 Synbio 实验室可能都在使用略有不同的技术配置。也就是说,我认为有四个(非常广泛的)层面:

图 2:Synbio 堆栈

  • 应用层:有价值的产品,从食品到药品再到时尚。
  • Bio CAD / CAM 层:计算机辅助设计和/或制造 (CAD / CAM) 软件,用于设计应用程序并规划它们的构建方式。
  • 流程执行层:自动化 Bio CAD/CAM 软件描述的流程的硬件,以操纵试剂和生物学。
  • 生物试剂层:组合生物部件以创建应用程序。

这些层中的每一层都可以分解为更多层和子层。然而,即使通过这个 30,000 英尺的 Synbio 堆栈视图,我们也可以看到抽象层对于人们利用生物学进行构建的优势。堆栈将创建新有机体的庞大而复杂的工作划分为几个较小的、不太复杂的工作。这使得曾经不可能的事情现在变得可行。人们和组织有机会专门从事不同层面的工作,以构建那里所需的能力。例如,有了这样的 synbio 堆栈,使用 CAD 软件设计 DNA 部件的人就无需考虑机器人将执行的逐步过程来创建其设计。这意味着他们可以专注于设计功能性 DNA 部分这一非常困难的工作。以这种方式组织新生物产品的创造工作,可以建立团队并解决以前不可能的问题。

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