生物合成、生物信息和生物工程技术融合浪潮

人工智能驱动的半导体技术正在突破传统计算范式的边界。集成电路技术虽然持续推动着计算、通信和存储性能的提升，但3nm及以下工艺节点的发展正面临物理极限和成本飙升的双重挑战。当导线细度接近原子尺寸时，量子效应将成为不可逾越的障碍。这种困境促使业界将目光投向三维结构设计、先进封装集成，以及光子学、量子计算等新兴技术的融合，但更根本的突破可能需要完全颠覆现有CMOS（互补金属氧化物半导体）技术范式。

在这一背景下，生物学与半导体技术的交叉融合展现出独特价值。合成生物学的发展令人瞩目，从染色体合成到基因组重设计，工程化生物系统正被赋予自然界不存在的全新功能。这种“生物启发—工程赋能”的双向互动正在重塑半导体应用的各个维度：生物传感器实现了化学信号与电信号的直接转换，脑机接口探索神经电活动的精准调控，而核酸纳米技术则为高密度数据存储提供了新思路。最具革命性的是神经形态计算——通过解析果蝇全脑连接组（包含13万个神经元和5450万突触的三维图谱），科学家得以模仿生物神经网络的高效能架构。这些探索的共同目标是突破传统计算中存储与处理分离的冯·诺依曼瓶颈，就像生物大脑自然实现的那样。

实现这一愿景需要建立全新的跨学科方法论。数字生物学的发展依赖于将生物系统的复杂信息转化为可计算数据，这要求开发新型测量工具和数据转换标准。从蛋白质动态到细胞通信，多尺度生物过程的数字化表征构成了极具挑战的“大科学”问题。但回报同样巨大：通过整合任务特异性、抽象层次和生物体差异的多元模型，我们有望构建出真正意义上的生命系统数字孪生。正如人工智能助力连接组学突破，对生物智能的深入理解又将反哺新一代人工智能芯片的设计，形成正向循环。在这条创新链上，半导体技术与生物学的深度融合不仅将催生新型计算架构，更可能重新定义信息处理的本质。

合成生物学作为融合工程学与分子科学的交叉领域，正在重新定义生物学与工程技术的边界。这一学科通过工程化改造微生物，使其能够执行特定功能，已在能源、化工、材料、农业等领域展现出变革性潜力。特别引人注目的是合成生物学与人工智能、芯片技术的交汇融合——研究人员已在大肠杆菌中成功构建“或非”逻辑门（Nor gate），并通过群体感应实现细胞间通信，展示了生物计算的可行性。DNA因其分子特性正被开发为革命性存储介质，最新突破包括在DNA/醋酸纤维素基底上实现10TB/mg的存储密度，以及利用RNA转录和纳米孔测序实现无损数据读取。生物传感能力的多样性也为生物电子器件提供了丰富可能，从化学物质检测到光、电、磁信号转换，蛋白质开关实现了化学信号与电子信号的双向转换，为新型生物传感器和工业微生物控制开辟了新途径。

“器官芯片”技术代表了另一个重要突破，这种集成微流控与三维细胞培养的系统能够模拟人体器官功能，在药物测试等领域逐步替代动物实验。机器学习在蛋白质结构预测和设计中的成功应用，特别是2024年诺贝尔化学奖相关成果，为代谢通路设计带来了新机遇。合成基因组学的进展更是令人瞩目，从首个合成细菌基因组到酵母基因组计划，再到全新设计的“非天然”染色体，我们正在进入“计算机设计细胞”的新时代。这些突破共同推动着生物启发工程与工程赋能生物学的界限日益模糊，预示着生物系统与电子系统深度融合的未来。在这个新兴领域，生物智能的独特优势——如高效的信息处理能力和极低的能耗——将与半导体技术的精确控制相结合，催生全新的技术范式，最终可能实现从“物联网”向“生物物联网”（IoBT）的范式转变。

本文旨在探讨一个根本性问题：生物学在哪些方面优于传统计算？虽然这个问题并不新颖，但在当前技术瓶颈下值得重新审视。生物系统天生擅长处理化学、光学和电学领域的模拟信息，这些能力远超现有非生物测量技术的捕捉范围。生命科学的进步正由生物信息测量技术推动，催生了半导体合成生物学（semisynbio）这一新兴领域。其核心价值在于生物学特有的问题导向优化能力——经过35亿年进化，生物系统在感知、推理、路径规划和驱动等方面展现出惊人效能。当传统计算面临三重物理极限（半导体微缩瓶颈、能耗墙和带宽限制）时，生物智能为突破这些约束提供了全新思路。

将细胞计算视为与量子计算同等重要的新范式，就能理解半导体合成生物学的深远意义。细胞计算、液态计算和DNA海量存储等技术，都能与传统CMOS形成协同增效。黏菌以极低能耗完成近邻计算的案例证明，进化打造的计算架构具有无可比拟的能效优势。我们主张发展“生物物联网”，不是拙劣模仿生物系统，而是直接利用地球经过亿万年优化的生物智能网络。关键在于开发新型生物—电子接口技术，将生物信号（化学、电化学、热、光、磁等）无缝转换为数字信息，同时保持其模拟处理优势。

这一转型面临双重挑战：既要突破传统数字计算的思维定式，又要建立与现有技术基础设施的兼容性。合成生物学的“设计—构建—测试—学习”循环看似混乱，实则反映了生物系统固有的复杂性和适应性。未来的突破点在于：开发基于DNA-RNA相互作用的化学人工智能，构建支持生物—人工智能融合的半导体合成生物芯片，以及建立跨学科协作的创新生态。当“万维网”与“木维网”（Wood Wide Web）真正联通时，我们将重新定义智能的边界——这不仅是技术革新，更是认知范式的跃迁。半导体合成生物学的终极承诺在于：通过生物与非生物基质的深度融合，开创计算技术的新纪元。

过去五年间，芯片制造商市值呈现爆发式增长，以人工智能芯片领军者英伟达登顶全球市值榜首为标志，反映出计算能力已成为国家竞争力的核心要素。这一现象与1950年图灵时代形成历史呼应——当时全球最具价值的企业（通用电气、标准石油等）同样掌控着能源与信息的基础设施。我们预见，未来五十年全球产业格局将再次重构：那些掌握“半导体合成生物学”平台技术的企业将成为新霸主，它们通过开发生物智能与人工智能的融合界面，实现DNA编程、实时生物传感生态系统建模等突破性应用。产业变革的关键在于开发跨尺度、跨模态的生物信息测量工具，只有突破这一瓶颈，才能真正实现生物计算与传统电子系统的深度融合。

这场融合正在重塑“信息—生物—纳米—工程”的创新矩阵。生物启发工程与工程赋能生物学的界限日益模糊，其影响将远超技术范畴：通过构建生命系统的数字孪生模型，不仅推动生命科学研究范式的变革，更将重构全球经济价值链。当物理世界与生物世界实现原子级别的精确对接时，从生物安全风险评估到个性化医疗等社会治理难题都将获得全新解决方案。半导体合成生物学代表的不只是技术演进，更是人类文明与地球生物圈协同进化的新篇章，其地缘政治影响之深远，或将重新定义21世纪的国家力量格局。

参考来源：Nature Communications

参考题目：The coming wave of confluent biosynthetic, bioinformational and bioengineering technologies

参考链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58030-y