我们人类花费大量时间用自然界的碎片构建工具。我们从木棍和石头开始，开始开采铁和其他金属，而最近，我们学会了如何操纵生物的基因。例如，为了制造胰岛素，20世纪70年代的生物学家将人类胰岛素基因插入大肠杆菌中，将这些细菌变成了活的化工厂。如今，科学家们正试图以更剧烈的方式重塑细菌，将它们视为可编程计算机，而不是工厂。这听起来很简单，但绝非如此。所有材料都给工具制造者带来了挑战。木材会腐烂，金属会弯曲。而生物体则烦人地粗心大意。因此，加州大学圣迭戈分校的科学家们刚刚制作了我嵌入在下面的视频，这令人印象深刻：发光细菌通过闪烁来计时。
技术依赖于统一性和可靠性。如果你的电脑的时钟速度
每秒钟都不稳定地变化，你将无法阅读这篇文章，也无法用你的机器做其他任何事情。但生物体并非为了取悦工程师而进化。它们本质上是混乱的分子系统。即使是细胞中最简单的化学反应，对工程师来说也是一场噩梦。例如，如果你将大肠杆菌暴露在某些糖类中，某些基因就会活跃起来，导致微生物复制基因的RNA，并最终产生蛋白质，微生物可以用这些蛋白质来消化糖类。但是，微生物产生的蛋白质供应并非平滑增长。它是以不可预测的爆发形式产生的。微生物之所以有噪音，是因为它的分子不像钟表那样相互反应。它们受概率定律支配。它们颤抖，摇晃。它们抓住目标，然后又松开，然后再抓住。而且，由于从信号到蛋白质产生的过程有多个阶段，一个阶段的粗心大意会加剧前一阶段的粗心大意。从事合成生物学的生物学家希望以操纵微处理机的方式来操纵大肠杆菌和其他细胞。他们希望勾画出一个执行特定操作的基因电路——例如，侵入癌细胞并从内部杀死它们——然后将这些基因插入细胞，让它立即听从他们的指令。但正如我在我的书Microcosm
中所写的那样，真实细胞的混乱、模糊的工作方式使得这种即时成功非常罕见。科学家们必须调整他们的电路，有时会随机引入突变，让自然选择来完成他们无法完成的工作。因此，合成生物学家才刚刚开始弄清楚如何重写细胞，让它们做一些拥有电子套件的孩子可以在几个小时内弄明白的事情——比如让灯以一定的速率闪烁。让大肠杆菌闪烁是足够容易的。你只需要插入一种来自水母的发光蛋白质基因，以及一段其他蛋白质可以结合以开启该基因的DNA片段。（这种基因的发现者获得了诺贝尔奖
今年。）然而，让细菌以规律的周期变亮变暗并不那么容易。早期的尝试导致细菌闪烁不定，并且不同步。加州大学圣迭戈分校的科学家们着手建立一个能更好地计时时钟的模型。他们利用了许多基因会关闭其他基因，而许多其他基因会加速其他基因产生蛋白质的事实。科学家们勾画了一组基因，通过添加一种叫做阿拉伯糖的糖来激活它们。一个正反馈回路将开始，产生越来越多的发光水母蛋白质。但在延迟之后，微生物将开始产生抑制发光蛋白质产生的蛋白质。（图示为他们电路的示意图。）在纸面上，该电路似乎应该像科学家们希望的那样工作。他们将基因组装在称为质粒的DNA环上，并将其插入大肠杆菌中。细菌开始以脉冲的形式发光，这些脉冲从一代细菌平滑地传递到下一代。但科学家们惊讶地发现，在某些方面，细菌的行为方式是模型未能预测到的。添加更多的阿拉伯糖会使时钟运行得更慢。更奇怪的是，时钟在各种条件下都非常可靠。无论细菌是冷是热，它都能可靠运行。无论细菌是每小时繁殖数次，还是每小时不到一次，它们都会以规律的周期闪烁。该模型表明，只有在仔细管理条件下，时钟才能工作。因此，科学家们修改了他们的模型。为了使其与现实相符，他们不得不为其添加大量新细节，例如蛋白质和RNA的降解速率。在某些方面，这
是个坏消息。合成生物学家将无法摆脱对其操纵微生物的输入和输出的简单模型。好消息是，现在科学家们已经发明了一种可以调整到以不同周期可靠工作的细菌时钟。微生物可能不会产生光，而是可能产生缓释药物，或在间隔时间内需要创建的任何其他物质。它甚至可能帮助科学家们理解我们体内产生稳定节奏（几分钟、几小时或几天）的反馈回路。总有一天，我们自身内在的粗心大意可能不再是一个谜。视频由加州大学圣迭戈分校的Jeff Hasty提供。图像来自Leo Reynolds，Flickr。图像来自Leo Reynolds，Flickr
