物理學中的熵增原理告訴我們，一個孤立系統的熵總是在逐漸增大的。

也就是說在任何一個不與外界交流的事物，必然會從有序狀態轉變為無序狀態，從確定的、有規則的狀態，轉變為不規律的、混沌的狀態。

熵增原理揭示了宇宙萬物演化的終極規律，但生命則生生不息地將 “無序” 變得 “有序”。薛定諤在《生命是什麼》中說過， “人活著就是在對抗熵增定律，生命以負熵為生。”

所以當生命科學遇到物理學時，會碰撞出什麼火花？

生輝 SynBio 邀請到了中國科學院深圳先進研究院合成生物學研究所 (以下簡稱 “合成所”) 定量合成生物學研究中心的傅雄飛研究員，來與我們分享他在物理學和合成生物學的交叉研究。

圖丨傅雄飛（來源：受訪者）

傅雄飛本科畢業於浙江大學物理學系，在香港大學獲得了物理學博士學位。後赴耶魯大學分子、細胞和發育生物學系進行博士後培訓，研究細菌群體趨化運動的協調機制。2016 年，他來到合成所建立獨立實驗室開展研究。

實驗室主要研究方向是利用定量合成生物學方法，透過數理模型和定量實驗相結合的研究手段，研究生物系統中的基本問題，包括生物空間擴張體系的有序結構形成機制的研究。

探索生命系統的 “湧現”

傅雄飛告訴生輝 SynBio，合成生物學的終極目標是在理解生命系統原理的基礎上，設計和製造一個生命系統，這一過程並不是簡單地將核酸、蛋白等生物組分組合在一起，而是需要遵循一定的設計原理，使得各個部件組合成一個整體之後，產生單個部件所不具備的功能，也可稱為生物功能的 “湧現”，但目前生命系統的設計原理還不完全清楚。

這也正是未來合成生物學發展需要解決的問題。在今年 9 月，北京香山召開的以 “定量合成生物學” 為主題的學術討論會上 (香山科學會議第 S64 次學術討論會)，40 餘位專家學者圍繞合成生物學的基礎理論研究、技術創新和工程應用以及我國在合成生物學領域的發展戰略，展開了深入而具有建設性的研討。

中國科學院趙國屏院士和中科院深圳先進院合成生物學研究所劉陳立所長在近日發文（點選直達：我國迎來定量合成生物學發展重要契機）總結，提出要建設理論 (理性設計)、技術 (合成能力)、工程 (自動化平臺) 三者相輔相成的合成生物學體系，進而以此推動合成生物學研究由定性、描述性、區域性性的研究，向定量、理論化和整體化的變革。

傅雄飛表示，“會議提出的核心科學問題就是如何去理解生命功能的湧現，理解生命系統執行的原理才能做到真正工程化的理性設計，而如何研究生命系統其實和研究物理科學中的複雜系統是很相近的。”

2021 年的物理學諾貝爾獎頒給了真鍋淑郎、克勞斯・哈塞爾曼因和喬治・帕裡西，獲獎理由分別是 “對地球氣候的物理建模、量化可變性和可靠地預測全球變暖” 和 “發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動之間的相互作用”，這兩項研究為理解地球氣候以及宇宙兩個複雜系統提供了理論基礎。

複雜系統充滿了 “隨機” 和 “無序”，生命系統亦是如此，傅雄飛表示，“生命系統可能是自然界存在的系統中最複雜的系統之一，而許多統計物理學背景的研究人員都在逐漸轉向研究生命系統，合成生物技術能夠為複雜生命系統的研究提供更多手段。”

近日，傅雄飛團隊在 eLife 雜誌上發表文章，揭示了細菌透過有序佇列實現叢集遷移的協調機制。

（來源：研究論文）

如同宏觀世界中的東非動物大遷徙一般，在微觀世界，微生物也會發生群體遷移的現象，細菌可以轉動身上的鞭毛，在液體中游動，在趨化物的吸引下，細菌可以讓自己在各個方向隨機遊動的同時慢慢靠近趨化物濃度較高的方向。

不同的細菌個體對於趨化物的敏感度各不相同，所以遷移的速度也不同。當細菌組成一個群體遷移的時候，對趨化物濃度不敏感的細菌雖然處在群體的尾端，但是卻沒有被落下，而是緊緊地跟隨著敏感的細菌，形成了一個緊湊的有序佇列，以同樣的速度共同運動。

之前，傅雄飛實驗室與耶魯大學 Thierry Emonet 實驗室合作研究發現，這樣的有序佇列對於細菌的叢集遷移來說至關重要。可是，細菌個體運動總是在不斷改變遊動方向，這樣的有序群體行進佇列是如何從無序的個體隨機運動中 “湧現” 出來的呢？

為了回答這個問題，研究人員對每一個細菌的運動軌跡進行了追蹤與觀測，結果發現細菌個體在種群中做往復運動，並與趨化物濃度有關，即佇列後方趨化物濃度低，細菌受到前方趨化物更大的吸引力，向前遊動，當細菌到達前端時，因為各處的趨化物濃度都差不多，所以失去了繼續前進的動力。

也正是因為這個機制，不同行動能力的個體才能在同一個群體中協調地共存，以同樣的平均速率向前遷移。進一步地，研究人員利用合成生物學手段對細菌的敏感度進行了人工調控，成功地驗證了協調機制的作用。這一發現不僅可以解釋許多生命體的群體遷移行為，還對人類社會更復雜的群體協作提供了參考。

“政產學研資” 多方推動合成生物學發展

飛速發展二十餘年，合成生物學也正在經歷一個從 “無序” 到 “有序” 的過程，不僅體現在科研的研究方向上，還體現在政策佈局、資本市場等諸多方面，趙國屏院士和劉陳立所長的文章中也提出，“為了推動合成生物學的應用研究，應加強學科交叉與產業配套”，“在解決好底層基礎理論構建以及技術概念驗證之後，加快產業化程序，在市場與資本的雙重推動下，加速我國技術壁壘的形成，實現我國合成生物技術與產品的產業化應用。”

傅雄飛表示，我國尚處於合成生物產業早期，但已呈現出迅猛發展趨勢。目前，我國合成生物相關產業主要集中在 DNA 合成、生物基材料、氨基酸與維生素、工業酶製劑等應用領域，湧現出一批以金斯瑞生物、凱賽生物、華恆生物等為代表的細分賽道新興企業。

在解決好底層基礎理論構建以及技術概念驗證之後，我國亟需加快推產業化程序。依託自動化設施平臺及 “樓上樓下” 等創新模式，“雙環耦合” 驅動探索 “全過程創新生態鏈”。在市場與資本的雙重推動下，加速我國技術壁壘的形成，塑造反 “卡脖子”、不被 “卡脖子” 的能力。

因此，我國產、學、研、政應該一體化發展，協調參與國家戰略科技力量共建；調動多主體以多形式參與合成生物學國家戰略科技力量佈局；積極推動國際發聲，參與國際合成生物學規則及標準制定，展示中國合成生物學科技力量，在政策的扶持與保障下，共同促進合成生物學科技、產業、教育健康良性一體化發展，最終回饋社會、反哺我國社會經濟。

傅雄飛表示，對此，先進院的科研佈局邏輯是需求牽引與學科交叉。一方面，堅持需求牽引，即面向國家重大需求，面向經濟主戰場，根據國家和深圳發展不同時期的現實需求而進行調整；另一方面，堅持學科交叉，學科交叉是科研常態，設立交叉學科秉持 “問題導向”。這種科研佈局與傳統的一級學科、二級學科很不一樣，是多個學科交叉，整合創新。由於現代科學的發展，學科交叉的趨勢越來越明顯，單靠一個人的力量是無法解決重大科學問題的，多需多學科共同攻關，而合成生物學正式這樣一個交叉融合的前沿學科。

“先進院合成所在凝聚人才團隊基礎上，逐漸打造 “科研 - 轉化 - 產業” 的全鏈條企業培育模式。一批學成歸國的青年科學家，來自哈佛、耶魯、杜克等世界最頂尖高校的前沿科技人才，聚集在合成所的平臺上，壯大了我國合成生物學研究力量。”

目前，合成所建設整體邁向一個正向健康良性運作的軌道上，已初步形成 “科研 + 設施 + 學院 + 產業 + 資本” 模式，並在深圳形成集聚效應。深圳已成為國家乃至全球合成生物學核心重鎮，發展合成生物產業具備先天優勢。

寫在最後

在合成所的佈局中，一個重要環節是今年在國內首次舉辦的合成生物學競賽（以下簡稱 “競賽”），競賽匯聚頂級聯合發起方，推倒產業與學術之間的 “高牆”，旨在集結代表現在和未來的才智，打造中國合成生物頂級競賽和創新孵化平臺。創新大賽報名目前已經結束團隊建立，進入實驗及準備期。

傅雄飛也是本次競賽的評委，談及本次競賽，他認為比賽只是一個起點，整個賽程可能很短，所以更要做好比賽結束之後的科學研究，要做成一個更加完整的專案，這對幫助參賽學生走上科研道路很有幫助；此外競賽還設定了創業大賽，也是為了推動科研成果的轉化。目前競賽創業大賽報名正在進行，截止時間為 2022 年 1 月 18 日，有志於參與創業大賽的團隊請及時報名。

他也期待有一些多學科交叉的專案出現，比如計算機、數學、法律和哲學等，希望能出現更多新穎的想法，推動合成生物學的創新。