Synbio 堆疊，第 1 部分

介紹

我每天都會問自己幾個問題：我們如何養活 100 億人，而不在我們曾經擁有農場的地方造成沙漠？我們如何確保我們不會全部死於疾病，而又不將健康限制在那些買得起奢侈品的人？我們如何擴大製造業產出，讓全球更多人享有更高的生活水平，同時減少對生態的影響並阻止氣候變遷？對我來說，這些都是 21 世紀的大問題。他們都有生物技術的答案。唯一的問題是，今天我們創建生物技術答案的速度不夠快，無法滿足我們對解決方案的巨大需求。這就是我們需要 Synbio Stack 的原因。我們需要一個技術生態系統，使人類建構生物技術解決方案的能力提高一百甚至一千倍。本文介紹的是該生態系統——正在創建的“技術堆疊”，它將幫助我們創建所需的拯救世界的生物解決方案。

什麼是技術棧？

「堆疊」是一種技術組合，可以使巨大的複雜性變得易於管理。他們將大型系統的各個部分分成“抽象層”，從而掩蓋了一些複雜性，因此設計人員可以專注於當前需要設計的部分，而無需考慮所有其他複雜的部分。 Stephen Wolfram 在 1986 年闡述了這個想法：

「系統的組件應該以某種形式的層次結構進行排列。層次結構中較高的組件應該為層次結構中較低的組件集提供總體控制，這些組件可以被視為單個單元或模組。這一原則對於軟體工程至關重要，其中模組通常是子程式。 —複雜性工程方法（Stephen Wolfram，1986）

對於像具有數十億個電晶體的 CPU 或具有數萬億個分子的細胞這樣複雜的東西，以這種分層方式組織事物對於任何類型的工程工作都至關重要。沃爾夫勒姆繼續說：

「模組化的一個重要方面是它使抽象成為可能。一旦特定模組的構造完成，該模組就可以被視為單個對象，並且無論該模組出現在何處，只需要考慮其整體行為。因此，模組化將建構或分析系統的問題分為多個級別，從而有可能使每個級別都易於管理。

透過將一個大的複雜問題分割成更小、更簡單的部分並相互堆疊，複雜的問題變得更容易解決。 Web 開發的一個著名範例是 LAMP 堆疊（Linux、Apache、MySQL、PHP）。如果你用 Google 搜尋一下，你會發現許多關於如何使用 LAMP Stack 建立 Web 應用程式的教學課程，以及解釋它的圖表，如下所示：

圖 1：LAMP 堆疊。  LAMP堆疊的神奇之處在於，如果你正在製作一個Web應用程序，你可以留在頂層並編寫一些PHP腳本，而不需要考慮在底層的作業系統層控制進程。現在您不需要成為專業的電腦科學家來製作網站，而只需了解一些簡單的腳本即可。這向我們指出了有關堆疊的另一個重要事項：相同的抽象層可以由不同的技術填充。在我們的 LAMP 範例中，抽象層是（從下到上）作業系統、Web 伺服器、資料庫伺服器和腳本語言；填入這些抽象層的技術是 Linux、Apache、MySQL 和 PHP。

這些相同的抽象層可以由不同的技術填充以創建其他堆疊，例如廣泛使用的 MEAN Stack，它使用 MongoDB、Express.js、AngularJS 和 Node.js 作為堆疊在一起的特定技術。現代Web 開發堆疊已在很大程度上過去瞭如今，LAMP 和MEAN 已成為現實，但LAMP 仍然是互聯網上最常見的技術組合之一（來源），因為它是第一個使幾乎任何人都可以建立網站的技術組合。這就是堆疊的力量：它可以讓人們做一些沒有它就無法處理的事情，讓人們能夠訪問以前許多人無法企及的技術，並以數量級加速開發。

為什麼「堆疊」對生物學很重要？

生物學是如此複雜，我們對其進行工程設計的唯一機會是使用一個堆疊（或多個堆疊）。 Drew Endy 在 2003 年的《自然》評論「工程生物學基礎」中第一個闡述了這個想法。在那裡，他將「標準化、解耦和抽象」確定為構成「合成生物學」新學科的關鍵要素。這三個工程概念位於自20 世紀70 年代第一個限制性內切酶用於重新編程DNA 以來一直在開發的基因工程工具之上，它們共同創造了一種新的生物技術方法，我們稱之為為“synbio”。這段影片顯示了德魯 2007 年在白板上提出的這一論點。

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Rob Carlson 在 2010 年出版的《生物學就是科技》一書中進一步發展了這個想法。 卡爾森追溯了抽象層開發的歷史，它使得我們今天認為理所當然的極其複雜的飛機和集成電路的設計和工程得以實現。在這裡，他引用了網路最早的開發者之一、Ginkgo Bioworks 聯合創始人湯姆奈特 (Tom Knight) 的話：

「我們有機會利用我們的複雜性和資訊管理工具來模組化、抽象化和理解生物系統。就像我們從物理學中簡化和抽象組件以允許我們建立數十億組件處理器一樣，我們可以並且將會模組化、抽象化和理解生物組件，其明確目標是建構人工生化和生物系統。

Synbio Stack 的創建將使人們擺脫對單一 DNA 鹼基對的思考，這樣他們就可以專注於設計新的生物應用。對於更多的人來說，利用生物技術創造新的應用將變得比以往任何時候都更容易，使他們能夠為人類當今面臨的巨大生存問題找到解決方案。

什麼是 Synbio Stack？

如果抽象層對於工程生物學如此重要，那麼所有不同的層次是什麼？哪些技術可以填補這些空白？分割這塊蛋糕的方法有很多種，每個 Synbio 實驗室可能都在使用略有不同的技術配置。也就是說，我認為有四個（非常廣泛的）層面：

圖 2：Synbio 堆疊

• 應用層：有价值的产品，从食品到药品再到时尚。
• Bio CAD / CAM 圖層：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。
• 流程執行層：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。
• 生物試劑層：组合生物部件以创建应用程序。

這些層中的每一層都可以分解為更多層和子層。然而，即使透過這個 30,000 英尺的 Synbio 堆疊視圖，我們也可以看到抽象層對於人們利用生物學進行建構的優勢。堆疊將創建新有機體的龐大而複雜的工作劃分為幾個較小的、不太複雜的工作。這使得曾經不可能的事情現在變得可行。人們和組織有機會專門從事不同層面的工作，以建立那裡所需的能力。例如，有了這樣的 synbio 堆疊，使用 CAD 軟體設計 DNA 部件的人就無需考慮機器人將執行的逐步過程來創建其設計。這意味著他們可以專注於設計功能性 DNA 部分這一非常困難的工作。以這種方式組織新生物產品的創造工作，可以建立團隊並解決以前不可能的問題。