过去一年中哪位科学家产生了最大的影响？加州理工学院的迈克·布朗迫使天文学家重新思考行星的定义。芝加哥大学的尼尔·舒宾发现了一块关键的化石，揭示了生命如何登陆。昆士兰医学研究所的艾玛·怀特劳记录了遗传如何超越基因。美国宇航局的詹姆斯·汉森加强了全球变暖的论据，并公开反对政府审查。而这仅仅是我们的部分入围者。
最终，我们锁定了一位研究员，他的工作即使在这些杰出人士中也脱颖而出。我们很高兴地宣布杰·基斯林荣获《发现》杂志首届“年度科学家”奖。
2006年度科学家：杰·基斯林
加州大学伯克利分校的化学工程师
21世纪的基因工程壮举很容易让人惊叹。基因可以从一个物种转移到另一个物种，从而创造出例如分泌药物的奶山羊或制造人类胰岛素的细菌。但这还不足以满足杰·基斯林。他想要的不是简单地操纵单个基因，而是要设计许多基因协同工作，就像电路中的晶体管一样。
这种操纵生命的新方法——以及对人工DNA的探索、新型氨基酸的创造和实验室中的受控进化——被称为合成生物学，42岁的基斯林是其主要工程师之一。作为一门新兴科学，合成生物学必须通过实际应用来证明自己，而基斯林现在即将提供这一点：他正在尝试将来自不同物种的基因整合到微生物中，以制造一种治疗疟疾的药物。这不仅是一项技术上的壮举，也是一项人道主义壮举。基斯林的微生物将以其当前成本的一小部分生产这种药物，使其能够惠及世界上更多的人。如果得到适当利用，这些微生物可以挽救数百万人的生命。
基斯林从小就沉浸在生物学、化学和工程学的实际应用中——他在农场长大。这种背景最终将他引向了蓬勃发展的生物技术领域。在1980年代早期，基因工程刚刚从实验室跃向董事会，因为公司通过将基因插入大肠杆菌来生产胰岛素、生长激素和其他有价值的分子，赚取了少量财富。然而，在基斯林看来，基因工程并没有充分利用细胞的全部力量。科学家们只是简单地将单个基因插入细菌中，并诱导它们尽可能多地生产相同的蛋白质。
通常，分子的生产并非如此简单；它需要几个基因的复杂协作。一个基因编码一种蛋白质，然后该蛋白质必须由其他蛋白质进行再加工。基斯林想要发明能够让他设计这类基因装配线的工具。因此，他攻读的博士学位不是生物学，而是化学工程。基斯林推测，细胞中发生的事情与化工厂中发生的事情非常相似：石油进去，经过一整串反应后，塑料出来。
基斯林在加州大学伯克利分校的头十年里，一直致力于构建将细胞转化为化工厂所需的新工具。他研究了质粒，即遗传工程师用来将外源基因插入细菌的微小环状DNA。他还找到了方法来诱导微生物产生大量的特定蛋白质，并发明了强大的化学开关，使他能够触发蛋白质的生产。
与此同时，其他科学家也同样借鉴了工程技术，并开始研究如何操纵微生物，这项工作他们称之为合成生物学。2003年，第一届合成生物学会议在麻省理工学院举行，到2006年，该领域已成为媒体的宠儿。《经济学人》将其誉为“生命2.0”；《福布斯》则撰文探讨了生命的潜在“再生”。
在耀眼的光芒背后，是枯燥的现实：合成生物学需要大量工作才能完成相对简单的事情。以细菌照相机为例。2005年，德克萨斯大学和加州大学旧金山分校的科学家报告说，他们创造了一种大肠杆菌菌株，可以产生类似照片的图像。他们将感光和产生色素的基因插入细菌中，然后对微生物进行工程改造，使这些基因协同工作——这是合成生物学原理的显著证明，但在实践中，它是数码相机一个非常笨拙的替代品。
经过多年完善其生物工具包，基斯林希望找到它的实际用途。2002年，他了解到对合成青蒿素的迫切需求，青蒿素是一种从甜蒿植物中提取的化合物，对引起疟疾的寄生虫有90%的疗效，且副作用很少（疟疾每年导致约300万人死亡）。然而，从甜蒿中提取这种药物是一个缓慢而昂贵的过程，导致其成本比其他抗疟疾药物高出多达20倍。
基斯林认为他可以设计微生物来以低得多的成本生产青蒿素。与其等待数月让甜蒿在农场生长，或者尝试用人工化学方法合成这种药物，基斯林希望通过简单地将糖倒入罐中，然后使用工程改造的微生物通过他自己创造的化学途径来制造这种药物。2003年，基斯林的团队公布了他们的首次成功，即青蒿素前体的生产。这一结果令人印象深刻，足以从比尔及梅琳达·盖茨基金会获得4300万美元的资助。为了将前体转化为真正的药物，基斯林不得不放弃对细菌的生物操纵，转而使用酵母。去年四月，他的团队报告称，他们已经将细菌、酵母和蒿属植物的基因拼接在一起，并将酵母转化成一个化工厂，产生了青蒿酸。
基斯林最后一步是找出如何大规模生产青蒿素。与快速生长的细菌相比，酵母在酶生产方面表现不佳。因此，基斯林有两个学生团队正在进行竞赛。一个团队正在寻找在大肠杆菌中创建新化学途径的方法；另一个团队则致力于扩大酵母中青蒿酸的生产规模。基斯林乐观地认为其中一条途径会奏效。如果成功，他预计将青蒿素的生产成本从每克一美元降低到仅10美分。
抗击疟疾只是基斯林探索合成生物学巨大潜力的宏伟计划的一部分。在他的实验室里，学生们正在改造微生物，使其能够分解农药、制造可生物降解塑料，并从植物中生产乙醇和其他燃料。因其杰出成就，《发现》杂志将基斯林评为年度科学家。我们借此机会与他讨论了他的工作以及合成生物学的未来。
您于1992年来到伯克利，接受过化学工程师和生物学家的培训。您希望做什么？
我来的时候就有一个想法，我们可以利用微生物制造药物和化学品。如果你想生产一种药物，可能需要大量的化学步骤——多到仅用化学方法在经济上不可行。我当时想，天哪，我们可以在细胞内完成很多这种化学反应，利用酶。酶一步就能完成合成有机化学可能需要多步才能完成的事情。更重要的是，我们可以从糖这样便宜的原料开始，最终得到有价值的产品。一旦你让一种微生物做到这一点，你就可以将其从小到10毫升的试管，大到10万升的发酵罐进行任何规模的培养。不幸的是，当我刚开始的时候，我们还没有很多工具来操纵细胞内的化学反应。
为什么以前没有人尝试以这种方式改造细胞？
生物技术产业是基于在细胞中生产单一蛋白质。例如，用重组DNA生产的人类生长激素和人类胰岛素，你取一个基因，把它放入大肠杆菌中，以极高的水平表达，然后生产出你感兴趣的蛋白质。那就是你的药物，你完成了。你打开细胞，取出你的药物。但是像紫杉醇（一种抗癌药物）这样的药物需要表达许多基因。你需要对基因表达进行非常精细的控制。当你生产人类生长激素时，你不需要精细控制，因为你只想用蛋白质填满细胞，然后将它们打开。
是什么让你觉得那种方法是可行的？
以细菌为例。当它们经历剧烈的温度变化时，它们会改变细胞中表达的基因。它们有控制系统来做到这一点，就像你家里温度下降时，恒温器会启动炉子一样。如果你了解这些控制，你就可以让细胞做它不一定想做的事情。这就是我真正开始思考工程学和生物学整合的地方——不是建造培养微生物的罐子，而是真正地进入并重新设计细胞作为一个化学反应器。这就是我们在我的实验室里对待细胞的方式：它是一个化学反应器。它吸收非常简单的东西，然后吐出复杂而有价值的东西。
合成生物学是何时成为您生活的一部分的？
我大约三年前才第一次听说合成生物学这个领域。我一直在做这件事。只是当时还没有一个名字。
您是如何参与到抗疟疾项目中的？
我开始接触到一组叫做异戊二烯的天然产物。那里有很多化学，大量的有价值的产品。这似乎是一个非常适合进行研究的领域。所以我们开始着重于构建制造这些化学品所需的基本途径，然后我们想，我们将用这个途径做什么呢？我们可以生产薄荷醇。我们可以生产β-胡萝卜素。然后一个研究生拿着一篇文章来找我，报道说生产青蒿素途径中的第一个基因已经被克隆了。我当时甚至不知道青蒿素是什么。我们想，天哪，这听起来是个很棒的研究项目。
除了药物，您认为合成生物学近期最有可能取得的进展有哪些？
我认为我们将看到它用于燃料。我认为这类产品并不遥远。与药物不同，它无需获得FDA批准。我认为能源将是一个非常重要的领域。杜邦公司正在努力生产丙二醇，它是地毯纤维的前体，他们正在用经过基因改造的大肠杆菌生产它。每年做这些事情都变得越来越容易，因为有更多的工具可用，特别是如果我们有一个充满活力的合成生物学产业——或者至少有一群人正在这个研究领域工作并生产工具。
您的实验室还在从事哪些工作？
青蒿素是一种烃，我们在燃料领域对烃有巨大的需求。因此，虽然我们仍然专注于青蒿素，但我们正在实验室启动生物燃料项目，一旦青蒿素项目完成，这些项目将进一步加快。
所以，本质上您会用糖来制造燃料？
没错。希望是纤维素。
您认为科学家未来能否使用类似的工具来改造人类细胞？
哦，当然。他们可以构建替代器官。他们可以从一个人身上提取干细胞，并对其进行工程改造，使其沿着特定路径分化成肝脏或肾脏之类的东西。这将是一个重要的领域。
您为什么喜欢这项工作？
我骨子里是个工程师，我喜欢能够操纵事物，并能够先验地预测它会对细胞产生什么影响。所以，能够设计、构建你的设计，然后看看结果与最初的预测有多接近，就是这个方面让我喜欢。
您帮助建立了一个研究人员称之为开源生物学的信息共享系统。目标是什么？
这实际上是从高科技产业吸取教训。他们共享低级技术的专利，或者根本不申请专利——他们只是将其作为开源发布，只对高级技术、大项目申请专利。制药行业和生物技术行业则将所有东西都申请专利，并独家持有这些专利，以便其他任何人都不能使用这些专利。当开发一种药物需要10亿美元时，你需要一些保证，确保你能够暂时保留你的知识产权并收回成本。我完全理解这一点。但是，如果你要为发展中国家开发药物，你负担不起支付这些专利费。所以我们说：“看，没有人会真正从这些小组件中赚到大钱。钱在于大型应用。所以让我们制作大量的小组件，并将它们作为开源提供给所有人。”人们仍然可以为大型应用——许多集成组件——申请专利，但至少让我们将组件作为开源提供，以便每个人都能获得平等的访问权限，这将推动生物工程领域的发展。
这种开放性是否会带来风险，即有人可能会利用合成生物学制造生物武器？
如果我想要作恶和伤害，我可能不会选择生物学来做。它太复杂了。任何足够老练到知道如何使用我们免费提供的这些生物组件的人，无论如何都能在一定程度上做到。通过提供这些组件，我们也将帮助那些试图发现利用生物学作恶的人。很多人一直在思考这个问题。我们需要监管这个行业吗？我们需要一个专业执照组织来给人们颁发合成生物学家执照吗？如果我们选择监管这个行业，我们必须愿意为此付出代价，这意味着不会有廉价的抗疟疾药物被开发出来，也不会有潜在的生物燃料、其他疾病的药物、环境清理以及所有来自这个领域的东西被开发出来。
您会对那些认为您在扮演上帝，干涉自然的人说些什么？
没有疟疾的时候，很容易说这些话。但当你生病却买不起有效安全的药物时，情况就完全不同了。我是在农场长大的。我成长的时候，我们还没有转基因作物。我们有杂交作物，但那是在传统方式下，通过玉米杂交实现的，我们对作物使用了大量的农药。我的意思是，这是严重的污染，对吧？例如，抗农达玉米，经过基因改造，允许农民对田地施用更少的除草剂。在许多方面，它对环境更好。如果我们以正确的方式使用它，我们实际上可以使世界变得更美好。我们正在尝试的化学方法也是如此。如果我们能在装满可饮用培养基的罐子里进行这种细胞内化学反应，那比使用大量可能溢出的有害化学品对环境要好得多。
您打算如何将您的合成青蒿素投入大规模生产并分发给需要它的人？
我们希望能在2009年末或2010年初启动这项工作。这是一个非常激进的时间表，但我们正在为此努力工作。你知道，获得盖茨基金会资助的真正好处是，一旦他们决定做某件事，他们就会投入大量资源，并把它做好。我们有许多非常聪明的人在为此努力，我告诉你，他们非常积极，因为这是最棒的项目。如果一切顺利，他们的工作将在很短的时间内用于实地拯救生命。
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