合成生物学研究期待完美基因工具
时间:2017-12-07

  合成生物学期待完美的遗传工具 - 新闻 - 科学网

  从进化的角度来看,酵母和止痛药可以被描述为无关紧要的。但是通过重新编辑这种微生物的基因,斯坦福大学的科学家克里斯蒂娜·斯莫尔克(Christina Smolke)正是这样做的,而斯莫克团队则利用糖作为原料来源,将酵母转化为生物有效的镇痛氢可酮。

  这是合成生物学的着名案例之一。在这个过程中,科学家重新编程细胞,复制自然界中发现的物质,甚至生成在自然界中从未正式形成的物质。

  合成生物学家雄心勃勃。我们都喜欢想象一个可以生物,重复,快速生产任何产品的世界。伊利诺斯州西北大学合成生物学家Michael Jewett说。世界各地的团队正在通过酵母,细菌和其他细胞的基因编辑来生产塑料,生物质能,医药和纤维,目标是建立比其他行业更便宜,更容易和更可持续的生命工厂。例如,日本鹤冈市的一家生物技术公司Spiber,通过对细菌进行重新编程来设计蜘蛛丝,这些细菌可以用来制造强韧而轻薄的冬季服装。

  但合成生物学家需要做的不仅仅是制造材料,他们“通过将部分基因转变成电路来制造非常复杂的结构,在这些新的领域已经有一些成功的案例,但目前的基因组部分的整合需要一个伟大的投机交易,具有相当的不确定性,为了促进这一领域的进展,学术界和工业界必须就最佳基因工具包和组织它们的最佳策略达成一致。

  由于DNA基因测序的价格急剧下降,合成生物学家可以通过大量的遗传数据选择有用的基因。生物学为我们提供了一个令人难以置信的阅览室选择。麻省理工学院合成生物学家克里斯托弗Voigt说。国家生物技术信息中心的GenBank等主要数据库之一包含了来自100,000个有机来源的超过1.9亿个DNA序列。

  凭借无数的合成DNA片段,合成生物学家将能够从事他们的研究。 Voigt对这样一个愿景充满激情:关于生物学的迷人之处在于有许多方法可以做同样的事情。作为一名基因工程师,您有最简单的设计方法。如果你想达到既定的工业目标,那么该属的组成部分必须具有一致的特征。总体而言,生物学面临的关键问题之一是缺乏可再生能力。英国伦敦帝国理工学院系统与合成生物学研究所所长理查德·基特尼(Richard Kitney)表示,合成生物学的问题是完全不可接受的,因为如果要实现工业化,它必须是可复制的。

  美国国家标准与技术研究院(NIST)于去年3月启动了合成生物标准联盟,以在学术机构和行业中规范合成生物学的设计,文件编制和组装。在英国,Kitney也在协调类似的工作,DICOM(医学数字成像和通信)医学信息共享标准将扩大到包括合成生物学。与此同时,国际团队开发了SBOL(Synthetic Biology Open Language),为研究人员提供了描述基因组成和电路的标准词汇。

  细胞软件

  随着自动化程度的提高,制造合成DNA组件的工作变得比以往更容易,更容易。但是将各部分连接在一起形成一个共同工作的遗传回路来提供复杂的,类似于计算机的行为仍然是一个挑战。任何时候你在物理上连接DNA,你就在这个界面上创建一个新的序列。因为DNA是如此丰富,你可以创建一个新的启动子或改变一个RNA的开始。 Voigt说。

  即使是精心设计的电路也可能失败,导​​致生物芯片中遗传元件之间不需要的基因表达或干扰,这在计算机模型中很难预测。合成生物学界在很大程度上就像在一个我们无法预测结果的世界里工作,而当我们建立它们时,我们不知道系统内正在发生什么。“银杏BIO工作室联合创始人Reshma Shetty说。马萨诸塞州波士顿

  这种不确定性意味着通过基因工程来编辑合成系统的许多步骤需要测试和优化。从构建人造DNA到插入微生物,软件工具和机械系统正在加速每一步。加利福尼亚大学伯克利分校的生物化学家Jay Keasling说,你可以用高通量的原型构建每个变量,并且始终保持这个原型,自动推力使得大量的合成生物学研究中心和企业配备生物铸造设施,允许自动化生产线,以比人工操作更大的规模生产,测量和优化微生物。

  生物铸造厂正在给合成生物学家一个雄心勃勃的计划。麻省理工学院博尔德研究所铸造中心的联席主管Voigt列举了一个与瑞士制药公司Novartis合作生产大量由人类肠道细菌产生的分子的例子。

  一些生物学家对于急于扩大规模和自动化生产持怀疑态度,他们赞成倾向于理论驱动的策略。但是,SynbiCITE联合负责人Kitney认为,自动化是合成生物学发展的必然步骤。您可以同时快速进行一系列实验,查看哪些配置可以更好地工作。他说。

  最好的主人

  实验室常用的模型生物,如酿酒酵母,大肠杆菌,已被合成生物学家征用。合成生物学的许多突破是通过这些生物实现的。例如,由Keasling及其合作者于2003年在加利福尼亚州共同创立的公司Amyris重新编辑啤酒酵母以生产抗疟复合青霉素。

  但是这些常见的实验室有机物不适合工业规模。寻找更好的选择可以让科学家们开始寻找更加晦涩的地方。越来越多的科学家正在试验神秘的生物体,我认为啤酒酵母和大肠杆菌的使用正在减少,Voigt说。

  凯斯林说,在一些地方,理想的选择可能是那些能够承受有机物质严重生产的。你可能正在处理一些有毒的挥发性物质,所以如果你有一个在较高温度下生产的生物体,它可能会在制造时被煮沸。科学家们仍在试验,看他们是否可以用碳来代替糖来制造产品。总部位于马里兰州的合成生物公司Intrexon正在使用以甲烷为原料的细菌,这种碳基产品比糖更便宜,更有效。

  医疗细胞

  当涉及到医疗应用,合成生物学家基因编辑哺乳动物细胞,而不是微生物。这种设计允许细胞产生抗疾病药物或为患有糖尿病等代谢紊乱的人执行某些生理学任务。但基因编辑哺乳动物细胞呈现出一系列的挑战。我们在酵母中使用的工具对哺乳动物细胞没有影响。斯莫克说,我们没有足够的激活剂或工具来调节基因表达或蛋白质修饰。

  最早开发的工具是肿瘤样的,无限增殖的细胞系,其固有缺陷,因此不能代表健康的组织。器官型原始细胞很难培育和操纵,而不同类型的细胞可能会混淆尝试构建可用于整个身体的试剂盒。在肾细胞中起作用的物质不一定在肺部或肝脏中起作用。瑞士联邦技术学院Martin Fussenegger说。为了克服这个问题,该团队正在编辑人造基因电路,这些电路可以植入病变部位的宿主细胞中。

  修改基因也可能导致问题。即使是智能的基因编辑工具,如CRISPR-Cas9,将基因修饰导入特定的DNA位点,也可能产生不可预知的结果。我们对人类细胞轨迹的认识还不够,如插入修饰基因的地方不会产生干扰。 Fussenegger说。他的研究小组正在探索这个不必要的问题是否可以通过引入一个嵌入DNA合成环中的称为质粒的基因网络来避免,而不是直接植入整个染色体。作为一个额外的预防措施,他对小鼠的实验基本上利用了被植入囊泡而不是小鼠组织中的基因工程细胞。

  目前这个领域还处于起步阶段。事实上,最早的基因编辑循环在2000年初并未开始出现,其复杂性令人望而生畏。尽管如此,越来越多的从事传统分子生物学研究的科学家非常渴望尝试这种基因设计。麻省理工学院合成化学家Ron Weiss的在线课程显示了该领域的普及。我们有大约14,000人登记。他说。

  进入该领域的好处可能是巨大的。在我的工作领域,扩张的前沿对于生物学能做什么是无限的。谢蒂说,这些新领域的开放只是技术发展的问题。 (红枫树)

  中国科技报(2016-03-29第3版国际)

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  自然报告(英文)