全新基因编辑软件让设计新生命像画画一样简单！

想象一下，设计一个新的有机体就像设计一个新的集成电路一样容易的话，是不是很激动人心呢？这就是GP-write consortium开发的计算机辅助设计（computer-aided design ，CAD）程序背后的终极愿景。

说起 CAD，想必很多人都不陌生。CAD，全称计算机辅助设计，旨在通过计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。再通俗点说，CAD 就是一个绘图软件，人们可以使用它绘制复杂的工程图、机械图、建筑图、电路图等。

波士顿大学电气与计算机工程副教授 Doug Densmore 博士是一家初创生物公司 Lattice Automation 的创始人，领导基因编辑 CAD 软件的开发。在接受媒体采访时，Doug Densmore 博士表示，“新型基因编辑 CAD 软件的开发，有利于促进计算机科学和生物学的融合，可以帮助生物学家更好的进行生物研究。第一个版本将在今年年底推出。”

Densmore对这个项目的一个希望是，它将帮助计算机科学家找到一种参与遗传学和生物学的方法。他指出：“有一些非常出色的计算机科学家，他们可能会说，‘我不知道生物学是做什么，但我喜欢编码。’”

GP-write（更正式地名称为Genome Project-write）的灵感来自20世纪90年代和21世纪初的人类基因组计划。人类基因组计划是一项规模宏大，跨国跨学科的科学探索工程。其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的 30 亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。

写基因组意味着什么？GP-write 的目的是通过 CAD 等技术来辅助基因编辑，从而创造出全新的生命或全新的能力。这意味着要远远超越目前用CRISPR等尖端工具所做的编辑，设计DNA序列以创造具有新特性的人类或动物细胞。

经典的 CRISPR 基因编辑工具一般仅限于对人类 DNA 上单个碱基对的修改，而 Schwartz 博士的团队致力于帮助科学家超越这一局限，旨在从更高、更抽象的层面改造生命。

目前，Gingko Bioworks 和 Zymergen 等开创性的合成生物学公司已成功通过这种方式，重新设计了酵母和细菌等单细胞生物，并将其转变为可产生所需物质的微观工厂。

在 2019 年发表的一篇论文中，GP-write 的科学家曾提到过其愿景，“我们希望能创造出一种简单、友好的 CAD 辅助基因编辑程序，从而使基因设计更快、更便宜、更可靠”。GP-write总裁兼联合执行董事Amy Schwartz表示：“如果我们能够降低基因组书写的成本，那么这些应用程序将是革命性的。”她告诉IEEE Spectrum，她预见了在医药、能源、材料和其他行业的应用。

Schwartz说，CAD program将免费提供给学术界人士，以及GP write的行业合作伙伴和被选中参与其新孵化器的公司。该平台还将包括订单，以便用户可以将其CAD文件发送给制造合成DNA的公司；然后可以将设计的构件发送给用户，以便他们可以看到自己的设计在现实生活中的结果。

Schwartz的团队致力于帮助科学家们远远超出改变单个碱基对（DNA最基本的单位）的范围。它的目的是在更高、更抽象的层次上捕捉科学家的意图。例如，如果他们想添加一个新的代谢途径来产生某种蛋白质，CAD将在基因组中所有必要的位置进行所有必要的改变。它还意味着捕捉可能导致细胞功能失调的编码错误，并准确预测编辑对细胞的功能影响——这种评估通常需要人类专家来进行。

波士顿大学的Densmore在被问及这种计算机辅助设计如何帮助科学家时，提出了一个医学假设。他说：“想象一下，我想设计一种细菌，它含有一个生物传感器，可以检测肠道的某些状况，然后释放出一些治疗药物。”这就需要为生物传感器添加一个基因，一个编码产生治疗物质的基因，这种物质会在细菌内部积聚，然后一个自毁基因会导致细菌破裂并释放药物。“你可能想知道这些添加的基因是如何相互作用的，”Densmore说，“CAD基本上可以检查代码中的细菌，并对细菌的功能做出预测。”

另一位重要的合作者、耶鲁大学分子、细胞和发育生物学副教授Farren Isaacs说，他们正在“尝试开发一个基因组设计的一站式商店”。他指出，计算机辅助设计将从一些生物体的参考基因组开始，如酵母和大肠杆菌，但它会被设计用于任何参考基因组。

显然，一旦这种 CAD 辅助基因编辑软件问世，那么通过基因编辑创造新的生命将会变得非常简单。但是，如果有不法分子通过这一软件来合成各种致命病毒或者是生化武器，那么后果显然是非常严重的。

生物安全是任何参与基因编辑和合成生物学的人的头等大事。GP write承诺CAD将达到国际基因合成协会的最高生物安全标准。作为第一步，它将根据危险序列数据库检查任何设计的序列，以确保用户不会制造病毒或其他生物武器。它还将最终检查细胞或有机体不会以不受控制的方式增殖或在环境中造成问题。

虽然 GP-write 会保证 CAD 辅助基因编辑软件的安全性，但是仍有一些科学家不放心，老牌公司似乎不太可能从现有的基因组编辑和设计系统转型。

如果CAD程序真的在学术界和工业界流行起来，它可能会面临来自生物伦理学家的审查。例如，Freiburg大学的生物伦理学家 Joachim Boldt经常撰写有关合成生物学的文章，他说，“我看到了简单的CAD设计过程与现实生活中杂乱无章的复杂应用之间的潜在冲突。他担心，一个易于使用的平台“可能会让用户高估预测结果的可靠性，尤其是那些不熟悉底层算法限制的用户。”

Boldt主张对基因组编辑技术进行国际监管，并希望这些监管采取细致入微的观点，区分不同类型的生物和不同的应用。他表示，“如果没有政府或机构来对这一新型事物负责，那么在基因组设计的过程中一定会出现问题。”

总体而言，CAD 辅助基因编辑技术毫无疑问是一项伟大的工程，对于人类基因编辑技术的发展具有重要的推动作用。不过，任何一种新兴事物，我们都无法预测其带来的危害，因此在推广过程中必须慎之又慎。而未来随着 CAD 辅助基因编辑的不断完善，创造一个新生命或许真的会像画画一样简单。

Densmore表示，如果计算机科学家和电气工程师现在愿意参与进来，他们将发现在未来还将有大量的工作需要他们来参与。“在21世纪，生物学将带来最有趣的技术问题，”他说。

编辑：jq