聊聊合成生物学（三）——20世纪推动合成生物学发展的大佬们
谈起合成生物学的关键推动人，James Watson和Francis Crick是绕不开的两座丰碑，他们与Maurice Wilkins因发现DNA双螺旋结构获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。这项发现统一了生物学的底层逻辑，被誉为生物学历史上继进化论之后最重要的突破。
正在讨论DNA双螺旋模型的 Watson (左) 和 Crick (右)
生物学中心法则
当然，让人意难平的是，在DNA晶体结构X射线衍射研究中上做出杰出贡献的Rosalind Franklin女士不幸于1958年因病离世，加之当时社会对女性科学家的歧视，未能在有生之年获得应有的认可。
英年早逝的Rosalind Franklin (1921-1958)
有史以来最美的一张X射线照片——DNA晶体X射线衍射照片51号
到20世纪60年代，法国科学家Francois Jacob和Jacques Monod在研究大肠杆菌基因表达时提出了操纵子理论，认为基因表达在细胞内是受到严格调控的，奠定了设计和控制基因表达的理论基础。1965年他们因“有关酶的遗传控制和病毒合成的发现”而获得诺贝尔生理学和医学奖。
据Jacob的妻子回忆：1958年7月的某一天，Jacob与妻子在巴黎看电影时突然显得有些局促不安，他对妻子说：“我觉得我刚才有了个重要的想法。”他俩于是走出电影院径直回家。正如Jacob后来所写的那样，他领悟到了“那东西的本质”。
20世纪60至70年代，瑞士科学家Werner Arber、美国科学家Hamilton Smith和Daniel Nathans先后发现了限制性内切酶及其应用（详见 限制酶的前世今生），为基因工程提供了有力的工具。他们也因此获得了1978年诺贝尔生理学或医学奖。
1968年，Herbert Boyer从大肠杆菌中分离到了目前最常用的限制酶之一EcoRI。1972年11月，在夏威夷海滩的一家饭馆中，一群科学家（包括Herbert Boyer，Stanley Cohen等）在一张餐巾纸上写下了利用Boyer发现的限制酶EcoRI和Cohen分离的携带抗生素抗性基因质粒来进行基因克隆试验的疯狂想法。1973年初，他们开始试验验证，将EcoRI切割产生的两种质粒DNA片段在体外通过DNA连接酶共价连接，将连接获得的新质粒DNA转入大肠杆菌中，并通过抗生素抗性筛选，获得了导入外源DNA的大肠杆菌，开创了合成生物学的先河。
餐桌上提出的重组DNA新想法（图片来源：PNAS）
不过，Stanley Cohen更出名的是关于细胞生长因子的研究，其研究的EGFR后来成为最重要的癌症治疗靶点，他本人也因此获得了1986年的诺贝尔生理学或医学奖。而Herbert Boyer则更敏锐地抓住了基因重组技术的商业价值，1976年,一个失业的风险投资人Robert Swanson找到并说服了Herbert Boyer，成立了全球第一个生物技术公司——Genentech (Genetic engineering technology的缩写)。Herbert Boyer也被誉为“基因工程之父”。
Genentech的第一个产品是只有14个氨基酸的人生长激素抑制素。Boyer从City of Hope医院招聘了两位化学家Arthur Riggs和Keiichi Itakura来完成这个项目。来自日本的Itakura专长合成DNA，Riggs则思维更加活跃。1977年，他们克服重重困难，成功地利用合成的DNA重组表达获得了人生长激素抑制素。随后他们迅速开始了生产人胰岛素的尝试。当时与他们竞争的还有另一位大牛，哈佛大学的Walter Gilbert（1980年诺贝尔化学奖得主），但是哈佛大学实验室受到诸多伦理规则的限制，反而是采用化学合成DNA的Genentech后来居上。1978年8月，Riggs带领团队率先使用大肠杆菌重组生产获得了人胰岛素，1982年获准上市，使人们摆脱了对天然牛胰脏的依赖，可以大量廉价生产胰岛素，造福成千上万的糖尿病患者。此后，Riggs又主持主导开发了重组生产人源化单克隆抗体的技术，为治疗癌症、自身免疫性疾病、失明和其他疾病奠定了重要基础。目前全球年销售额前10的药物中，半数以上都是单克隆抗体药物。虽然Genentech于2009年被Roche收购，成为Roche子公司，但生物技术老大哥的传说仍然在江湖上延续。
工作中的Arthur Riggs（右）和Keiichi Itakura（左）
Riggs的这两项杰出贡献，直接促成了价值至少5000亿美元的生物技术产业启动，成为合成生物学产业化的奠基人。更令人钦佩的是，Riggs博士除了致力于科研（他还是表观遗传学的先驱之一），还悄悄贡献了几乎全部发明创造所带来的财富（他曾经向学生自嘲：“我这辈子都在钱里洗澡”）。在过去的30年，Riggs博士个人向City of Hope医院捐赠共计超过3.1亿美元。
当基因工程发展如火如荼的时候，准确高效的DNA测序成为迫切需要解决的问题。1977年，Frederick Sanger发明了双脱氧链终止DNA测序法，成为第一代DNA测序的核心技术。这位大佬是个富二代，但并不是天纵奇才，博士毕业后求职时因为没有亮点成果，只好给教授们说当自带干粮、不拿工资的实验员。没想到，从此大力出奇迹，埋头做实验的Sanger先后发明了蛋白质测序技术和双脱氧终止DNA测序技术，从而于1958年和1980年两次摘得诺贝尔化学奖（如果不是慢了一步，1968年的诺贝尔生理学或医学奖可能也是他），成为历史上第4位两次获得诺贝尔奖的大牛。他有两名学生也获得了诺贝尔奖。
1983年的一天，正在做实验的Sanger突然感到自己已经老了，于是停下工作，走出实验室关上门，宣布退休，给世界留下了一个潇洒离去的背影。
退休后在自家花园的Frederick Sanger
DNA测序得到了解决，下一步就是如何快速大量获得DNA片段。从小就吊儿郎当，但天资聪颖的Kary Mullis横空出世。这位爷在本科学的是化学专业，经常自己合成致幻剂；研究生选择了生物化学专业，但其实并不太懂生物。一次嗑药之后，Mullis眼前出现了整个宇宙，仿佛看到了宇宙的源头，从幻觉中清醒过来后的Mullis迅速提笔记下在幻觉中看到的一切，最终写成了论文投给Nature，居然还发表了，于是稀里糊涂拿到了博士学位。
毕业之后的Mullis蹉跎了几年，进入一家生物公司Cetus工作。1983年春天的一个夜晚，磕过药的Mullis带着女友在公路上兜风，一个念头突然出现在他的脑海中——扩增DNA片段时，如果同时添加两条引物，分别扩增正义链和反义链，那么只要引物足够，岂不是可以无限循环地扩增下去！Mullis惊呆了，这么简洁的思路居然从来没人想到过！但是，拖延症严重的Mullis直到1983圣诞节前才成功完成了第一次聚合酶链式反应（PCR）。PCR技术使人们可以方便、快速获得大量DNA片段，是生物学的革命性技术，Mullis也因此获得1993年诺贝尔化学奖。
Kary Mullis
这些科学先驱在20世纪的努力，从理论和技术上都为合成生物学的诞生奠定了重要的基础。在世纪之交，现代意义上的合成生物学已经呼之欲出。
