进化设计：21世纪的生物科技工程学是您的演讲题目。这里面的含义是什么？

我认为生物学是一个寻找解决21世纪重要问题方法的好方向。要做到这一点，我们必须设计生物系统，也就是对他们的DNA编码进行重组。这是一件非常具有挑战性的事情，但目前已经有一些引人注目的新技术出现了。

重组是什么意思？

重组意味着改变控制生物体行为的DNA的功能。通过改变DNA，从而产生新的功能，例如，可以产生一种可再生燃料或一种化学物质。自然生物已经进化到可以生存和繁殖，但不能解决人类制造可再生燃料或药物的问题。所以如果我们想要通过重组生物来做到，我们就必须重写DNA代码来告诉他们怎么做。这很难做到，我们才刚刚开始学习。

您为什么认为生物工程学是解决人类问题的正确答案？

我的观点是，进化是一种很好的生物学设计的算法。是它导致了当前存在的生物系统的多样性和高功能性。它也是一种可以用来重新设计生物体，从而解决人类问题的算法，例如治疗疾病或持续地制造燃料和化学品。生物学非常聪明，许多解决重要问题的方法都可以通过生物学设计来找到。

要做到这一点，我们必须学会如何“培育”分子，就像我们一直在培育生物体、猫、狗、赛马、信鸽或玉米一样。如果我们能在分子水平上培育，就会产生一系列新的挑战，因为我们必须做出我们过去不需要做的选择。

哪些选择呢？

如何进行突变，如何重新组合DNA，了解我们希望改进的分子的性质，确定我们应该使用的优化算法。这是一个化学优化问题。

这个领域的研究还有多远？

我们才刚刚开始。对于我们所研究的大多数问题，我们知道蛋白质或酶会发生什么。所以我们列有一个我们想要改变的参数或属性的列表。但是，我们还远远不能具体地、精确地设计出符合这些参数的序列。因此，我们利用进化来辅助：通过随机变异DNA并观察其影响，我们可以探索出真正重要的东西。

我不认为我们很快就能理性地设计出酶，因为我们在这些进化实验中发现方案非常复杂。他们很难反向设计——识别改进的机理——即使这些序列的变化很小。很难理解这些变化是如何产生新特性的。所以这对理性设计来说不是很好。但是没关系!这没关系，是因为进化是有效的。我们有一个很好的机制来解决生物学应用的问题，就是通过设计进化系统来获得新的有效的特性。

那么这个实验是什么样的呢？

预先设定好参数。如果你想要一种更稳定的酶，或者你想要一种在新环境下工作的酶，又或者在新的基质上进行反应，这些就是你为进化优化设定的参数。

你事先不知道哪种特定的氨基酸替换会产生这种情况。因此随机地制造突变，然后通过筛选找到那些有效的突变。我们通常用微生物制造突变酶，并简单地在96孔板上进行筛选，通过迭代诱变和筛选积累有益的突变。

当你对改进酶的基因编码排序时，你会发现有益的突变发生在哪里。催化是非常敏感的：蛋白质结构或顺序的微小变化就会导致催化性质的可测量变化，有时这些变化发生在化学发生的活性位点30 Å之外。很难将效果归因于结构、动力学、氢键或静电作用的特定变化。但是定向进化可以发现这些变化。

您来自化学工程方向，是什么吸引您来这个课题呢？

我转向生物和酶设计，因为我发现酶很吸引人。不像其他的化学，材料学，电子学的设计，我们有进化。我们很幸运。酶非常复杂，但是我们有一个很好的算法可以对它们进行设计。

那么您认为我们用生物学主要能够解决什么样的问题呢？

其中最大的一个问题是如何利用可再生资源：如何以植物材料的形式利用阳光和二氧化碳从而取代化石燃料？这就是我研究的方向。但是，还有许多生物技术的应用可以通过进化方法来改进，比如寻找新的药物或工业催化剂。

怎么能确保您创造出的东西不会失控呢？

我说的是制造蛋白质。蛋白质不是活的，它们不会失控。当然，有些人对合成生物学很担心。我只能说，我非常努力地确保这项技术被用于好的方面。

如果我们想要保持我们习惯的生活水平，甚至与我们习惯的生活保持密切联系，我们就必须更明智地使用资源。生物学是智慧地利用资源的专家。

您对未来有什么看法？

对生物化学和生物化学工程而言，有一个令人兴奋的前沿领域，就是创造出一种蛋白质，将天然氨基酸和生物所使用的分子团的字母表扩展到20种以上。如果你利用化学知识，比如有机催化或无机化学，你可以扩展生物中的化学成分。现在想想那些无法通过自然生物获得的化学机理。许多新的化学成分会破坏蛋白质的完整性和功能，但是进化可以恢复这些功能，并探索这些新功能所能发挥的作用。

这些想法是我们在不久的将来就会看到的。在这个新的领域里，还有很多创造和想象的空间。