對於(yu) 以電子工程為(wei) 模式的生物技術，生物組件是它的基礎

　　雖然“基因工程”這個(ge) 詞已至少用了30年，DNA重組技術也是現代生物學研究的主流技術，但是大多數生物工程學家所進行的生物相關(guan) 研究，卻與(yu) 工程技術鮮有共同之處。其中一個(ge) 原因就是，現有的生物工具，在標準化和實用性方麵還沒有達到與(yu) 其他工程技術領域相應的水平；而另一個(ge) 原因，則是生物學的研究方法和思路還有待改進，盡管生物學研究已經 深受工業(ye) 技術的影響。

　　舉(ju) 例來說，電子工程的轉型起始於(yu) 1957年。那一年，美國Fairchild半導體(ti) 公司(這家公司的所在地就是後來的矽穀)的瓊·霍爾尼(Jean Hoerni)和羅伯特·N·諾伊斯(Robert N.Noyce)發明了平麵技術。這是一種利用光掩模(photomask)，在矽晶圓(silicon wafer)內(nei) ，對金屬及化學物質進行層疊和刻蝕的係統。利用這種新技術，工程師們(men) 不僅(jin) 能夠出品質穩定的、簡潔的集成電路，還能通過改變光掩模的模式，出各種類型的電路。此後不久，工程師們(men) 就可以對前人所設計的簡單電路進行選擇組合，設計出更加複雜、應用範圍更廣的電路。

　　在那個(ge) 年代，電子電路的標準方法還比較原始，隻是將電路的各個(ge) 晶體(ti) 管(transistor)逐一串連起來。這是一種手工過程，其產(chan) 品質量參差不齊，被新興(xing) 電子工業(ye) 界*為(wei) 技術瓶頸。相反，平麵技術則大步前進，進展速度驚人，與(yu) 的摩爾定律(Moore’s Law)所提出的速度相差無幾。

　　半導體(ti) 芯片的設計技術與(yu) 方法學相結合的產(chan) 物—— 芯片廠(chip fab)，已成為(wei) *zui成功的工程範例之一。它也為(wei) 另一新興(xing) 技術領域—— 生物體(ti) 係業(ye) ，提供了寶貴的發展模式。

　　實際上，今天的基因工程師所使用的方法，仍處於(yu) 較原始的階段。正如我們(men) 的同事，美國麻省理工學院人工智能實驗室的湯姆·奈特(Tom Knight)所說的那樣：“DNA序列的組裝技術沒有標準化，致使每一次DNA組裝反應在自身還處於(yu) 實驗階段的同時，就不得不充當解決(jue) 目前研究課題的實驗工具。”

　　生物工程在方法和組件上的標準化，可以促使兼容組件設計庫建立，並使組件的加工外包成為(wei) 可能。理論與(yu) 的分離，使生物工程師能夠自由地構想更加複雜的裝置，並應用強大的工程工具(例如計算機輔助設計)，來處理由此而來的複雜性。

　　生物零件

　　2000年，當時就職於(yu) 美國普林斯頓大學(Princeton University)的邁克爾·埃洛威茨(Michael Elowitz)和斯坦尼斯拉斯·萊布勒(Stanislas Leibler)，以及美國波士頓大學(Boston University)的柯林斯、蒂姆·加德納(Tim Gardner)和查爾斯·坎托(Charles Cantor)等人，利用生物零件(biobrick)了*批基本電路元件：一個(ge) 環形振蕩器和一個(ge) 扳鍵開關(guan) 。他們(men) 的研究代表了人造功能性生物電路的成功。而早在1975年，科學家們(men) 就已經知道，自然界的生物正是利用此類電路來調控它們(men) 的基因——從(cong) 知道到成功，科學家們(men) 用了整整25年的時間！

　　埃洛威茨和萊布勒的環狀振蕩器很好地闡釋了何為(wei) 生物電路。振蕩器的基本電路是一個(ge) 質粒(plasmid，環狀DNA)，該質粒帶有三個(ge) 基因：tetR、lacI和λcI，分別編碼三種蛋白：TetR、LacI和λcI。任何基因翻譯成蛋白質的首要條件是，聚合酶(polymerase)與(yu) 基因上遊區域的啟動子(promoter)結合。隨後，聚合酶將基因轉錄為(wei) 信使RNA(messenger RNA)，然後信使RNA被翻譯成蛋白質。如果聚合酶不能與(yu) 啟動子結合，那麽(me) 基因就不能被翻譯，也就不能生成蛋白質。

　　埃洛威茨和萊布勒給三個(ge) 基因的蛋白產(chan) 物分配了特殊的任務：選擇性地與(yu) 另外一個(ge) 基因的啟動子結合。如此一來，LacI蛋白與(yu) tetR的啟動子結合，λcI蛋白與(yu) lacI基因的啟動子結合，而TetR蛋白則與(yu) λcI基因的啟動子結合。這種關(guan) 聯性使得一個(ge) 基因的蛋白產(chan) 物能夠阻遏聚合酶與(yu) 另一個(ge) 基因的啟動子結合。因此，這三種蛋白的生成構成了一個(ge) 振蕩循環：大量LacI蛋白的生成抑製了tetR基因的表達；TetR蛋白的缺失使λcI基因得以表達；而λcI蛋白又抑製LacI蛋白的生成，這個(ge) 過程不斷循環。

　　若將該循環中的一個(ge) 基因與(yu) 表達綠色熒光蛋白的基因相連，再將整個(ge) 電路轉入一個(ge) 細菌中，那麽(me) 你就會(hui) 發現神奇的一幕：這個(ge) 細菌會(hui) 像節日彩燈般閃爍！與(yu) 之相似，柯林斯小組研製的基因扳鍵開關(guan) 也可用於(yu) 細菌的程序化：一旦細菌的DNA受損，那麽(me) 在細菌周圍就會(hui) 出現一種跳躍著綠色熒光的“菌苔”！