未來某一天，人們將能夠在智能手機上設計（編程）一個活的有機體，之後將設計稿上傳到雲端，再向某一生物實驗室定制這款有機體。實驗室接到訂單後，會用機器人完成大部分有機體的生產，人類將扮演「生命設計師」的角色。
食物2.0的模樣
生物科技目前備受爭議的應用是轉基因食品。有人將轉基因食品稱為「食物2.0革命」。我的看法是，在轉基因食品出現之前，我們通過「基因工程」得到特定的植物和動物已經有很長的歷史了。當你控訴轉基因食品「不是來自大自然」的「原罪」時，不要忘了，我們現在吃的幾乎所有的水果都是經過基因改造的，它們在幾千年前的自然界裡根本不存在；世界各地的農民們也一直都在拿莊稼做實驗，他們不斷用傳統嫁接的方式改進農作物；狗是深受人類喜愛的動物，和人類的關係也最親密，而如今幾十個品種的狗都是自然界中原來不存在的。
當然，傳統的方式改造植物和動物跟如今在實驗室裡的方法有很多不同之處，但人們更需要認識到兩者的相似性和共同點。因為，當很多人聲稱自己不想吃一些「不是來自大自然」的食物時，他們真的是在自欺欺人：他們吃的大部分食物都早已是非「自然」的，這些食物都是農民們經過很多個世代的「基因改造」實驗得來的。
轉基因食品備受非議和指責還有一個主要原因是媒體宣傳：人們往往關注的是報道中的「大化學公司」從中賺到了幾十億美元，不理解和懷疑的心理很容易滋生陰謀論。
從實驗室裡創造一種新食物的明顯優勢是：整個過程只需要幾個月，而不是原來傳統改造方式所需的10~20年。而且，實驗室裡創造的植物從定義上來說也更「科學」，相比農民們隨機通過「不斷實驗和錯誤」得到的新植物，實驗室裡的生物科學家們非常清楚為什麼自己培養的植物能夠生長，會生長成什麼樣。而基本上靠經驗和運氣進行試驗的農民們只知道某種嫁接方式要麼行得通、要麼行不通，但並不真的理解到底是為什麼。
人們對轉基因食品的恐懼依然存在，但恐懼背後大多是偏聽偏信和誤解（或無知）。在近15年的研究裡，目前還沒有發現轉基因農作物對人類健康有害的數據和證明。目前，美國生產的大部分玉米、大豆和棉花都是在實驗室裡用來自細菌的基因創造出來的，世界上81%的大豆都是轉基因作物，印度96%的棉花也都是轉基因作物。從1983年開始，美國和英國的大部分奶酪都是用基因改造後的凝乳酶製作而成的，這種方法比起只能從小牛胃裡提取的傳統方式不是更人性化嗎（凝乳酶能凝固牛奶成奶酪，傳統上只能從小牛的胃中提取，這種方法在歐洲大陸不少地方仍在使用）？
不過，也許正是實驗室裡幾個月就造出新植物的「超速度」嚇到了人們。人們願意接納和嘗試通過傳統嫁接方式生產出來的新食物，恰是因為創造一種新品種的西紅柿或土豆需要很長時間，於是很多人都假設這些食品有足夠的時間被逐一測試，也就不會有什麼危險。某種程度上這也許有道理，但我們需要加快創造和測試新植物的原因也很簡單：人類已經承擔不起用10~20年，甚至更久的時間來改進食物了。
全球氣候變化發生的速度越來越快，有些需要冷空氣才能生長的植物正被迫經受高溫的煎熬，一些世代在溫暖的陽光下生長的植物則不得不應對突如其來的大量降雨，以及隨著潮濕滋生的各種寄生蟲和疾病。我們需要盡快幫助這些「手足無措」的莊稼和水果適應無常的氣候變化，而基因工程就是我們的利器。
諸多數據顯示，災難性暴風雨等極端天氣在全球範圍內已經越來越頻繁。氣候科學家告訴我們，這種天氣將會成為一種常態，而不是小概率事件。對農民來說，這就意味著天氣變得越來越難以預測。斯坦福大學的戴維·羅貝爾（David Lobell）和哥倫比亞大學的沃爾弗拉姆·施倫克爾（Wolfram Schlenker）一起發表了關於氣候變化對糧食生產的研究成果，其中，《氣候變化與1980年以來的全球農作物產量》（2011）的文章顯示，由於氣候變化，玉米和小麥的產量一直下降。
設想一下如果同樣的趨勢發生在水稻身上的後果是什麼，世界上40%的人口的主食是水稻，如果水稻被氣候變化「打敗」了，一些貧困的國家不可避免地會再次出現饑荒。
事實上，圍繞「改造農作物以應對氣候變化」的各種研究早已陸續展開。2009年，英國謝菲爾德大學科學家保羅·奎克（Paul Quick）被任命為負責運行國際水稻研究所（IRRI）的「C4水稻項目」，該項目是來自8個國家的12個實驗室的聯合項目，還得到了比爾及梅琳達·蓋茨基金會（Bill＆Melinda Gates Foundation，BMGF）的資助，目標就是用一種被稱為「C4光合作用」的技術來改善水稻質量（研究者普遍預測，如果新品種C4水稻研發成功，將能使水稻更能適應乾旱等惡劣天氣，還能使水稻產量提升50%）。
與此同時，加州大學戴維斯分校的科學家愛德華多·布拉沃德（Eduardo Blumwald）正在位於加州的中央山區做實驗，中央山區是加州農業的主產區，是世界上最多產的農業地區之一，近幾年經歷了極端的高溫和乾旱，布拉沃德希望能再造一些水稻等農作物的基因，使它們能夠承受這種極端天氣，並能在高鹽度的土壤中生長。
在我們繼續盲目地批評、抗議轉基因食品之前，我想再提醒大家，我們的食物一點也「不自然」。不僅大型超市裡蔬果區的食品「不自然」，我們日常購買的各種零食、飲料更加「不自然」，恐怕只有化學工程師才能理解現在我們食品包裝上的標籤，仔細閱讀這些標籤，你會發現一些神秘的「常客」，比如丁基化羥基甲苯、聚山梨醇酯、苯甲酸鈉、亞硫酸鹽、山梨酸鉀、硝酸鹽等。這些化學物質到底是什麼？對我們的健康又有多少危險？為什麼幾乎沒有人抗議這些食品「不自然」呢？
事實是，為了讓食品看起來更漂亮，味道更鮮美，保存的時間更久，我們習以為常的超市食品早已充滿了各種人工色素、人工香料和化學防腐劑。那些食品標籤上神秘的化學元素，其中一些長期食用可能會致癌，有些可能會降低免疫系統，有些可能會引起部分人群過敏或不孕不育，有的甚至會造成DNA損傷，只要簡單地搜索一下，就可以找到大量研究並反對這些化學物質的網站。相比目前還沒有研究數據證明對人體有害的轉基因食品，我們對這些「不自然」的人工合成食品是不是太寬容了呢？如果我讓你吃這些含有大量化學元素，會危害健康的食品，你肯定不願意，但全世界成千上萬的孩子和成人每天都在吃。
如果你的主食裡有肉類，不要忘了，那些被屠宰的動物大部分都是工業化流水線上「生產」的，也都是吃著含有化學物質的工業食物長大的，它們也都「不自然」。總之，當我們的日常飲食儼然早已是一場化學實驗的時候，你義正詞嚴抗議轉基因食品就顯得有些好笑了。
關於到底什麼才是綠色食品的探索已久，而加州近年來出現的「綠色」運動，則旨在重新設計食物的供應鏈，以達到使用更少的土地、水和能源，最大限度保護環境的目的。相關研究者將所有食物佔用的資源和環境成本分析後顯示，肉類所消耗的土地、水、能源等是最多的，是人類最不該吃的「最差勁」的食物。因此，一些致力於用素食代替畜牧業產品的研究迅速展開了，用另一種說法就是研發「假肉」（素肉）。舊金山一個該領域的創業公司因此受到很大關注，即2011年由喬希·蒂特裡克（Josh Tetrick）和活躍在動物權益保護領域的約什·鮑克（Josh Balk）共同創建的漢普頓溪（Hampton Creek），該公司生產的無肉的「素肉」在很多商店銷售，不含雞蛋的「蛋黃醬」也被用到很多三明治製作中。這種做法當然遭受到很多相關集團和大公司的猛烈攻擊，但該公司最終贏得了法律糾紛，它之所以這麼「招恨」很大程度上是因為雞蛋是個巨大的市場，僅在美國每年就有600億美元的消費額。
風投們如今也開始投資一些跟食品相關的新創公司，漢普頓溪並不是一家生物技術公司，因為它只是簡單尋找一種用素食替代肉類的方法，並盡可能提供同樣的營養價值和美味。但它的成功給了很多生物技術公司靈感，為什麼不在實驗室裡將這一個理念「發揚光大」呢？
比如，2011年由美國密蘇里大學的加博爾（Gabor Forgacs）創建於紐約的「現代草甸」（Modern Meadow）公司，它能在實驗室裡通過生物技術和3D打印人工製造出牛肉和牛皮，相比之前用基於植物的「素肉」替代肉類的做法，這種做法更進一步，他們直接人工製造出一模一樣的肉類。這正是「現代草甸」希望的：既提供肉類，又不殺害動物和破壞環境。
呼之欲出的「生命設計師」
對生命基因的改造常被歸為合成生物學，合成生物學的第一次國際會議2004年在麻省理工學院舉行，也是在這一年，合成生物學被麻省理工學院的《技術評論》評為「改變世界的十大新技術之一」，但這個領域目前仍處於「史前時代」。
我認為，合成生物學真正的「歷史」是從2005年加州大學伯克利分校科斯林（Jay Keasling）的團隊設計出能夠生產抗瘧疾特效藥「青蒿素」前體的酵母細胞開始的，青蒿在中國中醫療法中用於治療各種疾病，其中就包括瘧疾。20世紀70年代，中國科學家重新發現並確定了其活性成分青蒿素（2015年，中國浙江的女科學家屠呦呦因從傳統中草藥中成功提取青蒿素獲得諾貝爾獎）。迄今為止，青蒿素一直是以從天然青蒿中提取作為主要來源。但是，現在不同了，青蒿素既可以從青蒿植物中提取，也可以來自工程酵母，即可以在實驗室半合成青蒿素。這也是合成生物學的實驗成果第一次在世界範圍內產生了影響。
2006年合成生物領域還有一個成功的故事：加州大學伯克利分校克裡斯·沃伊特（Chris Voigt）的研究團隊合成了一種細菌，它能夠「定位」人體內的癌細胞，這在癌症的靶向治療上是意義非凡的。2007年，克雷格·文特爾（Craig Venter）的研究小組在美國馬里蘭州完成了全基因重塑：他們將一種細菌（絲狀支原體）的基因組插入到一種不同的細菌（山羊支原體）的細胞質中。
2010年，漢密爾頓·史密斯（Hamilton Smith）的研究小組在美國克雷格·文特爾研究所重新編程了細菌的DNA，也就是說，這種細菌的「父母」是一台電腦。這個實驗告訴世人，科學家們現在已經可以在計算機上設計「定制」的細菌，然後再在實驗室裡把它們造出來。
不過，如果你以計算機科學家的方式來思考，就會發現，到2010年，生物科技已經發展到了這樣的地步：讀取基因數據變得很容易（DNA測序），寫入新的基因數據也不難（DNA合成），但編輯基因數據仍然很困難。最早的基因組編輯方法（工具）之一是鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases，ZFN），為桑加莫生物科技（Sangamo Biosciences）公司獨家所有。2011年，由明尼蘇達大學的丹（Dan Voytas）和愛荷華州立大學的亞當（Adam Bogdanove）發明的轉錄類激活因子效應物核酸酶（Transcription Activator-like Effector Nucleases，TALEN）的方法操作上比ZFN要快很多，兩種方法都可以對DNA進行各種遺傳修飾。
然而，僅一年以後，一種更好、更易操作、更便宜和速度更快的技術出現了：加州大學伯克利分校珍妮弗·杜德納的實驗室和卡彭蒂耶在瑞典的實驗室發明了CRISPR技術〔clustered regulatory interspaced short palindromic repeat，即成簇的、規律間隔的短回文重複序列，是基因組中一個含有多個短重複序列的位點，這種位點在細菌和古生菌（archaea）胞內起到了一種獲得性免疫（acquired immunity）的作用，CRISPR系統主要依賴crRNA和tracrRNA來對外源DNA進行序列特異性降解〕。隨即，利用CRISPR的初創公司遍地開花，都聲稱可以提供「基因組編輯平台」。第一個是蕾切爾·豪爾威茨和馬丁·季聶克（Rachel Haurwitz＆Martin Jinek）創立的Caribou Biosciences，一個從珍妮弗·杜德納的實驗室分離出來的公司。短短幾年之內，相似的創業公司就從瑞士（如CRISPR Therapeutics，成立於2013年）蔓延到波士頓（如Editas Medicine，2013年從博德研究所分離出來）。僅2015年，科學期刊上關於CRISPR的論文就多達1 300多篇。
TALEN和CRISPR被發明之後，目前生物科技更妙的地方是：通過運用強大的基因編輯工具，我們可以按照自己的意願直接對一種植物的基因進行改造，並不需要增加來自其他生物的基因。也就是說，這些工具提供了一種簡單而精確的方式來編輯（修改）植物基因，從而達到讓它們具備抗旱或抗病的能力等。理論上講，這種方式應該能夠大大降低「轉基因」的風險。
如果你連修改一種植物的基因都要反對，固執地認為原來不具備某種疾病抗體的植物才是「自然」的，那你應該也會反對針對人類進行的基因治療，因為本質上來講，兩者採用的是同一手段和過程。
用類似CRISPR和TALEN的基因編輯工具，科學家們已經可以「基因編程」出大量的新蔬菜和農作物等。比如，2014年，中國科學院高彩霞的課題組選擇用TALEN技術和CRISPR技術創造了一種抗白粉病的新品種小麥，白粉病是影響小麥產量和品質的重要病害之一，高彩霞發現，對小麥的MLO基因進行編輯，定向誘導其突變，即可使其對白粉病產生持久抗性。這個實驗之後，修改西紅柿、大豆、水稻和土豆等農作物基因的實驗大量展開。
當然，一定會有很多群體會向美國政府施壓，要求將用TALEN和CRISPR技術創造出來的農作物歸類為轉基因作物。但目前的事實是，美國農業部對這種農作物到底算不算轉基因作物自己還不確定。
除了編輯DNA，我們還可以選擇在實驗室直接打印出來新的DNA。目前，DNA合成本身正在被小型化，自動化和軟件三者的結合不斷顛覆。所有想要在聚合酶鏈反應（PCR）或基因測序上做「快速成型」（Rapid Prototyping）的公司都需要一些稱為寡核甘酸的原料，也就是機器可以用來測試實驗假設的短的DNA分子，傳統做法的局限性正是這些寡核甘酸的高昂成本。
如今，一個備受追捧的公司是Twist Bioscience，2013年由安捷倫公司前員工艾米莉·勒普羅斯特（Emily Leproust）、基因測序公司Complete Genomics的硬件工程師比爾·巴尼亞伊（Bill Banyai）以及在安捷倫和Complete Genomics都工作過的比爾·佩克（Bill Peck）共同在舊金山創立。他們解決寡核甘酸成本昂貴這個問題的方法是：開發一套基於硅的設備，大規模、迅速生產合成DNA。2015年，Twist從一家叫作Gingko Bioscience的生物體設計公司那裡接到了多達一億個DNA鹼基對的年度訂單，相當於2015年整個基因合成市場總額的10%。
2016年，Twist收購了以色列生物科技初創企業Genome Compile，這家公司研發的工具可以設計基因，即讓人通過電腦或移動設備對DNA進行混合和匹配，培養新「生物」。也就是說，Twist現在可以先讓人們設計DNA，然後再根據設計稿按需打印。同時，目前世界上最大的合成基因供應商是中國的南京金斯瑞生物科技有限公司，它也在為科學家們提供定制的合成基因。
目前，合成生物學在創造一個新的「生物」（有機組織）時使用的方法仍是對基因的「剪切和粘貼」，隨著合成DNA成本的不斷下降，有一天更有效的方式可能是直接設計和打印一個新的DNA，而不是去編輯一個現有的。
我們可以設想的是，不久後的某一天，人們將能夠在智能手機上設計（編程）一個活的有機體，之後將設計稿上傳到雲端，再向某一生物實驗室定制這款有機體。實驗室接到訂單後，會用機器人完成大部分有機體的生產，人類將扮演「生命設計師」的角色。
「基因驅動」會改變什麼
目前已有的創業者在「設計生命」上觸動我的故事很多。尤其是大熱的CRISPR技術提供了從根本上修改基因的方式，它的可能性已經吸引了無數的創業者。不過，我們可以從基因上改變蚊子，讓它們不再傳播瘧疾，或者基因改造蜱蟲，讓它們不再傳播萊姆病等，但我們沒有辦法將這種基因改變蔓延到全世界每一隻蚊子或蜱蟲上去。根據孟德爾的經典遺傳定律，想要實現這一目標也是不可能的。然而，「基因驅動」（gene drive）技術改變了遺傳規則，這一技術可能比「基因改造」技術更重要。按照傳統方式，一種植物或動物基因的改變往往需要很多年甚至幾千年才能大範圍普及，而「基因驅動」能讓基因改變在種群中以快得多的速度蔓延。
第一個成功創造「基因驅動」的試驗是在南加州進行的。2014年，加州大學聖地亞哥分校的伊桑·比爾（Ethan Bier）和瓦倫蒂諾·甘茨（Valentino Gantz）用CRISPR技術觸發了果蠅的基因驅動器。雖然這僅是一個概念性的試驗，但幾個月後，加州大學歐文分校的安東尼·詹姆斯（Anthony James）在之前試驗的基礎上對蚊子加入了一種「阻斷瘧疾」的基因，使擁有這種基因的蚊子能夠將這種基因改變迅速傳播到幾乎所有的後代，這位科學家為了研究出來不再傳播疾病的蚊子已經在實驗室裡花費了20多年的時間。
當然，這聽起來似乎很恐怖，大多數人只會因此更害怕基因改造。但別忘了，這個世界上還有很多生活在瘧疾頻發地區的人們，當很多母親眼睜睜地看著自己的孩子死於瘧疾時，這可比實驗室裡基因改造的畫面更恐怖。
2016年，美國Intrexon的英國子公司Oxitec通過基因改造，培育出具有「自我毀滅基因」的蚊子來防控在美洲肆虐的寨卡病毒（由蚊子叮咬傳播）。Intrexon正在巴西建造一座工廠，計劃每週培育六千萬隻雄蚊，而這些雄蚊子唯一的任務就是去交配，把一段會殺死自己後代的基因傳遞出去。同樣，雖然實驗處於諸多爭議中，但當數百萬人的生命受病毒威脅時，到底如何選擇並不容易。
下一步，「修改」人類基因
CRISPR技術可以快速對DNA進行改造，而且幾乎不受物種的限制，當然也能夠對人類的DNA進行遺傳學改造。CRISPR技術的首次成功應用應該是在2014年，哈佛大學干細胞研究所的查得·考恩（Chad Cowan）和德裡克·羅西（Derrick Rossi）用CRISPR編輯了一些人類的細胞（部分造血干細胞以及免疫細胞），然後將編輯後的細胞植入到艾滋病人體內，將「基因編程」後的細胞變成了對抗艾滋病的武器。
某種程度上，人類若想對抗艾滋病，可以採用跟小麥抗白粉病一樣的邏輯。人類細胞裡含有「一些東西」，使得人類能夠感染艾滋病病毒，如果用基因編輯工具刪除這些東西，你就能得到一個抗艾滋病的免疫系統。
大約同一時間，麻省理工學院丹尼爾·安德森（Daniel Anderson）的團隊在小鼠動物實驗中成功糾正了一種可導致遺傳性高酪胺酸血症「tyrosinaemia」的基因突變，也是世界上首次使用CRISPR技術在成年動物實驗中糾正了致病的基因突變。2015年，索爾克研究所（Salk Institute）研究人員胡安·卡洛斯·伊斯皮蘇亞·貝爾蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte）的團隊用CRISPR技術將艾滋病病毒從已感染的動物細胞內移除了出去，當然是趕在這些細胞複製和蔓延之前。這些都是運用CRISPR技術進行基因治療的初步嘗試。但是，這些技術要在人體上運用還需要很多年的測試和驗證，因為目前還沒有人能預測會有哪些副作用。
除此之外，還有一些很難想像到的應用，在沒有人嘗試之前，很難說到底有無實際意義。比如，醫學上一個經典的問題是如何在大腦內做手術。我們的大腦先天被設計為將內部感染和外部攻擊損傷的風險降至最低，尤其是顱骨以內，因此，大腦與身體的血液循環是隔離的，就是為了防禦來自血液中的「攻擊者」。但這也同時帶來了一個問題，即醫生不能通過血液循環將治療腦部疾病的藥物送到腦部。如果一個人患了嚴重的腦部疾病，醫生能唯一做的就是腦部手術。為了改變這種情況，科學家們想到的辦法是：
如果醫生們有辦法「深入」大腦，將特定的一些基因送到大腦細胞的細胞核中從而將它們重新編程，這將是很大的進步。比如，醫生們可以將一些能夠對特定疾病產生抗體的基因送到大腦內部。2015年，加州理工學院本·德爾曼（Ben Deverman）的研究團隊用一個名為AAV9的無害的病毒，創造出了數以百萬級的它的遺傳變異體。所用的方法是凱利·穆利斯（Kary Mullis）1983年發明至今還廣泛應用於實驗室的「聚合酶鏈式反應」，並創造了一種新的技術來測試這些百萬級的病毒變種。這實際上是在以閃電一樣的速度進行自然選擇：他們將迅速選擇出到底哪種變體能將基因送入人類的大腦。想像一下如果我們能夠對所有的手術都應用這種基因療法操作會帶來多大的改變。
顛覆化工行業
此外，使用基因工程來創造新材料是非常有趣，也是非常有潛力的應用。即便不使用最新的技術，這個領域的一些創業者已經創造出來了前所未有的新材料。比如，Bolt Threads是位於加州埃默裡維爾的初創公司，2009年由加州大學舊金山分校的三位科學家丹·維德邁爾（Dan Widmaier）、大衛·佈雷斯勞爾（David Breslauer）和伊桑·米爾斯基（Ethan Mirsky）創立，他們嘗試利用細菌來製造基因工程面料，已經開發出了一種人工合成絲質，宣稱這種材質比一般的鋼鐵還都要牢固，但延展性和柔韌性比橡膠還好，既牢固又輕便舒適。
再比如，2013年由傑德·迪恩（Jed Dean）和扎克·塞伯爾（Zach Serber）成立於加州埃默裡維爾的Zymergen主要開發用於工業發酵的基因工程細菌，他們已經發現了一種將DNA植入到細菌中的方法，由此生成能創造新材料的微生物。
不過，讓生物學家們大聲叫好的創業企業是Ginkgo Bioworks，這家公司2008年由麻省理工學院合成生物學的先驅（也是iGem的聯合創始人）湯姆·奈特（Tom Knight）和其他幾個麻省理工學院的校友（Jason Kelly、Reshma Shetty、Barry Canton和Austin Che）一起創立，它自稱是「世界上第一個生物工程的代工廠」。代工廠這樣「高大上」的事情之前一般都是英特爾、蘋果這樣大的芯片製造商才擁有的，英特爾等大公司給代工廠一個設計稿，代工廠負責將它生產出來。同樣，Bioworks開出了生物工程的「代工廠」：客戶只負責下單，它負責製作出來。到目前為止，Ginkgo Bioworks已經生產出了合成香料、化妝品以及食品等。
如今，我們使用的大量日常材料都是通過系列化學反應得來的。基本上，化工行業就是通過對天然材料（如石油）的「重新編程」得到一些人工材料（如塑料）。遺憾的是，目前這個「重新編程」不僅過程不環保（化工廠通常會產生大量污染），結果也不「綠色」（比如難以分解的塑料）。而類似Ginkgo公司這樣的研發製造模式卻能用一種綠色的方式製造一種綠色的材料。
現在，Zymergen和Ginkgo兩家公司都想在它們的實驗室裡生產出各種各樣的消費品，而這肯定將徹底顛覆整個化工行業。