近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所馬英新研究員聯(lián)合中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組研究所戴俊彪研究員在學(xué)術(shù)新期刊Life Medicine上發(fā)表了題為“When Synthetic biology meets Medicine”的綜述。
該綜述聚焦于合成生物學(xué)工具對醫學(xué)應用的思維革命，分為加速、升級和革新三個(gè)階段，全面概述了近年來(lái)合成生物學(xué)在藥物的發(fā)現及生產(chǎn)、疾病的診斷、疾病的治療中的作用。
深圳先進(jìn)院博士生馮禹歌為第一作者，深圳先進(jìn)院馬英新研究員與深圳農業(yè)基因組所戴俊彪研究員為文章的共同通訊作者。
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文章鏈接： https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnae010
近年來(lái)，新冠大流行和包括寨卡病毒、埃博拉病毒在內的其他流行病顯示出傳染病在全球傳播的驚人速度和規模。心臟病、糖尿病和癌癥等非傳染性疾病的快速增長(cháng)給醫療系統也帶來(lái)了巨大的壓力。而藥物開(kāi)發(fā)、疾病的診斷和治療進(jìn)展仍落后于疾病的出現速度，許多急迫的臨床需求仍沒(méi)有得到解決。這就需要探索新技術(shù)來(lái)發(fā)現和開(kāi)發(fā)生物醫學(xué)和生物療法。合成生物學(xué)是現代醫學(xué)中的一個(gè)革命性領(lǐng)域。它專(zhuān)注于為特定目的設計人工工程系統，利用模塊化系統，從酶和調節元件等簡(jiǎn)單單元，到通過(guò)精確調整和數學(xué)組合由簡(jiǎn)入繁的復雜模塊，形成多個(gè)遺傳回路。這篇綜述全面概括了合成生物學(xué)在醫學(xué)中應用的最新進(jìn)展，特別關(guān)注在藥物發(fā)現和生產(chǎn)、各種疾病的診斷和治療中的作用。
合成生物學(xué)對醫學(xué)意味著(zhù)什么呢？從合成生物學(xué)的使能技術(shù)入手，這篇綜述生動(dòng)闡釋了合成生物學(xué)三個(gè)不同階段的思維變革和應用：對醫學(xué)藥物生產(chǎn)的加速、對疾病快速檢測的迭代，以及對疾病精準治療的革新。
圖1 當合成生物學(xué)遇見(jiàn)醫學(xué)
合成生物學(xué)思想的顛覆性在哪里呢？這篇綜述強調了合成生物學(xué)模塊化的概念。利用更廣義的“輸入”和“輸出”，以DNA為編碼原件，根據已有的生物學(xué)知識，按照人們的需要，將多個(gè)基因或生物分子進(jìn)行耦合，組裝成具有一定功能的生物模塊，并最終將多個(gè)功能模塊耦合成為一個(gè)系統，實(shí)現自然界中不存在但人類(lèi)需要的生物學(xué)功能。
1 合成生物學(xué)加速藥物分子的生產(chǎn)
圖2 合成藥物生產(chǎn)
生物制造藥物分子的過(guò)程涉及三個(gè)關(guān)鍵步驟：底盤(pán)細胞的操作和生成、分子合成途徑的構建和整合，以及代謝網(wǎng)絡(luò )中酶的人工調節和增強。對于細胞工廠(chǎng)中生產(chǎn)特定的藥物分子，通常選擇“可操作的工程底盤(pán)”，突出的例子包括大腸桿菌、釀酒酵母和中國倉鼠卵巢細胞。合成生物學(xué)發(fā)展大大加速了這一進(jìn)程，例如構建具有最小化基因組的人工細胞作為更可控的底盤(pán)，或將非標準氨基酸納入代謝重構，以及新酶的實(shí)現。已經(jīng)取得了非常多鮮艷的應用成果。包括實(shí)驗室規模的大麻素類(lèi)(Cannabinids)、單萜吲哚生物堿(MIAs)、非天然氨基酸藥物，和已形成工廠(chǎng)規模的無(wú)定形二烯(Amorphadiene)、皂苷(Ginsenosides)。
此外，先進(jìn)合成生物學(xué)工具無(wú)細胞系統，在生物制藥產(chǎn)發(fā)現和開(kāi)發(fā)中作用不斷擴大，它們在沒(méi)有細胞和膜限制的情況下，靈活精準地控制多肽，并且集中使用能量，而不需要高度進(jìn)化的內部系統。多年來(lái)，無(wú)細胞系統已經(jīng)應用在生產(chǎn)各種生物藥物，例如抗體衍生物、抗體-藥物耦合物、細胞因子、疫苗、膜蛋白、金屬蛋白、病毒蛋白和抗微生物肽。
2 合成生物學(xué)升級疾病診斷
傳統的診斷方法，如成像和生化檢測，可能無(wú)法準確診斷所有類(lèi)型的疾病，尤其是在早期或癥狀不典型的疾病。然而，DNA和RNA測序技術(shù)的迅速發(fā)展，通過(guò)患者樣本遺傳物質(zhì)的直接提取，精準識別疾病，并根據基因型評估疾病風(fēng)險。測序技術(shù)在病原體診斷中同樣表現出搞敏感性和特異性，可以快速檢測和完全識別病毒、細菌、真菌和寄生蟲(chóng)。對于存在先驗知識的疾病尚且如此，高達60%的傳染病病因仍未知。對新興的、罕見(jiàn)的或具有挑戰性的傳染病，測序技術(shù)提供了傳統診斷所沒(méi)有的巨大優(yōu)勢。
通過(guò)分析得到的病原體基因組信息還可以幫我們了解其基因特征，如藥物敏感性和耐藥性，并預測其進(jìn)化和突變趨勢，這有助于制定有效的公共衛生策略。在新冠病毒大流行期間，測序技術(shù)發(fā)揮了重要作用。另一在健康和環(huán)境監測中發(fā)揮重要作用的是全細胞和無(wú)細胞傳感器。
從傳統的全細胞活性鑒定到利用自然疾病生物學(xué)和重建酶功能的生物傳感器，已經(jīng)實(shí)現了逐漸復雜的臨床性能，其特點(diǎn)是靈敏性、特異性、便攜性和可持續性?；驒z測電路包括三種類(lèi)型的組件：傳感、信號處理和輸出元件。全細胞傳感器是指含有換能器元件的細胞，它的傳感元件通常由用于分析物識別和誘導下有基因表達的轉錄因子組成。信號處理元件將感應信號轉化為可測量信號，以實(shí)現分析物檢測。這些信號通常包括放大器、反饋回路或邏輯門(mén)。許多產(chǎn)生熒光、顏色、電子或氣體的報告蛋白則可以作為輸出元件。DNA重組在其中做出了重大貢獻。
圖3 全細胞傳感器
無(wú)細胞傳感器則是基于體外的無(wú)細胞系統設計的微量物質(zhì)檢測工具，它具有消除跨膜轉運障礙和克服與細胞存儲相關(guān)的生物安全和營(yíng)養限制的優(yōu)點(diǎn)。它在快速檢測中受到廣泛關(guān)注，包括金屬離子、群體感應分子、抗生素和病毒等領(lǐng)域。本綜述中重點(diǎn)介紹了近年來(lái)在提高無(wú)細胞傳感器的靈敏度和便攜性方面取得的成就，這些重要領(lǐng)域包括轉錄因子的激活和抑制、Toehold開(kāi)關(guān)和CRISPR-Cas識別。
圖4 無(wú)細胞傳感器
3 合成生物學(xué)革新疾病治療
疾病治療是醫學(xué)領(lǐng)域的典型挑戰。它需要兩個(gè)基本步驟來(lái)解決人體對疾病的先天反應：精確定位受影響部位和實(shí)施有效的治療。合成生物學(xué)的出現使疾病治療方法發(fā)生了徹底的轉變。體現了一種可編程設計的范式，這一概念體現在各個(gè)階段，并對不同的細胞內和外源信號作出反應。本綜述展望未來(lái)，將重點(diǎn)集中在幾個(gè)開(kāi)創(chuàng )性的戰略上，包括基因編輯、治療性核酸藥物、細胞治療、基于病毒的疾病治療、細菌治療和一些類(lèi)器官應用。
圖5 合成生物學(xué)革新疾病治療
基因編輯是合成生物學(xué)中最強大、最廣泛的工具之一，在下一代基因治療中具有巨大潛力。本綜述主要回顧了使用基因編輯工具治療遺傳疾病的進(jìn)展，主要關(guān)注CRISPR-Cas、堿基編輯和引物編輯[請鏈接回顧：https://mp.weixin.qq.com/s/odnyFT7RkSTFPJcdB1YLBA]，以及它們在單核苷酸突變疾病和多基因突變的復雜疾病中的應用。
治療性核酸是新一代的藥物技術(shù)，正在成為生物醫學(xué)領(lǐng)域有前景的候選者。治療性核酸是具有不同功能的修飾RNA或DNA，在基因水平上治療疾病，實(shí)現持久療效。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些治療相關(guān)的核酸模式，包括DNA疫苗、RNA疫苗和可編程的分子，例如微小RNA(miRNA)、小干擾RNA(siRNA)和反義寡核苷酸(ASO)。這些工具已經(jīng)獲得批準或正在進(jìn)行臨床試驗。
另一個(gè)臨床批準的既定案例是CAR-T治療，是工程細胞療法最成功的案例之一。細胞治療包括使用體外培養的修飾或未修飾的細胞，然后輸回到體內工作。當與靶抗原結合時(shí)，刺激和共刺激結構域的激活促進(jìn)T細胞增殖和靶細胞殺傷。配備定位裝置“CAR”的T細胞可以特異性識別腫瘤細胞并釋放各種效應因子，表現出強大的抗癌細胞毒性。CAR-T療法的獨特優(yōu)勢之一是能夠實(shí)現基因控制電路。當進(jìn)一步放大到識別特定信號并執行特定功能的人工合成程序中時(shí)，能夠更精確地創(chuàng )建CAR-T細胞。合成生物學(xué)為設計具有增強的控制性、靈活性和特異性的工程嵌合T細胞提供了新的可能性。本篇綜述概述了兩種先進(jìn)的策略：自主控制和外部控制。被工程化以表達自主回路的免疫細胞可以結合來(lái)自工程化免疫細胞或天然環(huán)境的信號，包括細胞內細胞狀態(tài)、抗原和腫瘤微環(huán)境。另一種關(guān)鍵方法是用來(lái)自外部試劑的不同信號設計細胞療法，如光、超聲和小分子。自主控制信號可以組合部署以解決復雜的癌癥狀況。在這里，我們重點(diǎn)介紹兩種先進(jìn)的邏輯電路：分離、通用、可編程CAR（SUPRA CAR）系統和共定位依賴(lài)的鎖存正交籠/鍵蛋白質(zhì)（Co-LOCKR）系統。具有外部控制電路的其他解決方案提供了更多可靠的安全性。美國食品藥品監督管理局已批準的五種惡性腫瘤CAR-T療法顯示出良好的療效和臨床抗癌細胞毒性。
基于病毒的治療策略同樣展現出令人鼓舞的前景，包括病毒疫苗、病毒載體和噬菌體治療。病毒疫苗在新冠大流行中被驗證是最有效的治療途徑之一。相比前面提到的DNA和RNA 疫苗，基于病毒的疫苗更加成熟，包括滅活疫苗、減毒疫苗和病毒樣顆粒，已經(jīng)被應用于應對一系列疾病，包括脊髓灰質(zhì)炎、流感、嚴重急性呼吸系統綜合征、埃博拉和天花等?；蛑委煹倪M(jìn)步促使了用于遞送治療蛋白和基因編輯片段的病毒載體出現。常用的病毒載體包括逆轉錄病毒、腺病毒、腺相關(guān)病毒、單純皰疹病毒和慢病毒，遞送包括單克隆抗體、抗凝血劑、血液因子、酶、生長(cháng)因子、激素和工程蛋白。過(guò)去的二十年里，已經(jīng)批準了20多種病毒載體的療法，重點(diǎn)用于癌癥、單基因和傳染病。病毒策略也為抗微生物耐藥策略帶來(lái)突破貢獻。噬菌體療法通過(guò)將其尾端附著(zhù)在細菌細胞壁上并將其基因組注入衣殼（頭部）來(lái)感染細菌細胞。這些噬菌體可分為烈性噬菌體和溫和噬菌體。無(wú)論是治療性工程噬菌體，還是作為遞送的有效載荷，已被證實(shí)了高價(jià)值的治療潛力。自2020以來(lái)，已經(jīng)啟動(dòng)了29項設計噬菌體療法的臨床試驗。
除了噬菌體外，細菌是另一種有前途的治療平臺。通過(guò)對多種細菌進(jìn)行重新編輯，合成生物學(xué)為各種疾病提供潛在的治療方法，包括代謝、胃腸道和腫瘤學(xué)疾病。工程微生物可以定義為廣義基因回路，能夠進(jìn)行人工設定輸入、操作和輸出，并可以用作特定病原體的靶向載體或治療分子的遞送載體。工程治療細菌在未來(lái)的腫瘤治療中具有巨大的前景。細菌材料同樣是潛在的治療工具。集中類(lèi)型的細菌膜囊泡（BMV）已被用作病毒感染和癌癥的疫苗或疫苗佐劑。這些囊泡包括革蘭氏陽(yáng)性菌的膜囊泡（MV）、革蘭氏陰性菌的外膜囊泡（OMV）、雙層膜囊泡和原生質(zhì)體衍生的納米囊泡（PDNVs）。此外，工程細菌群落展現出更智能的治療前景。將多種細菌整合到具有復雜代謝相互作用的工程菌群中，可以進(jìn)一步實(shí)現多種生物醫學(xué)策略的復雜級聯(lián)反應，為工程菌療法的未來(lái)發(fā)展提供了一個(gè)有希望的方向。
本綜述最后討論了近年來(lái)備受關(guān)注的器官和類(lèi)器官治療。種系工程一直致力于開(kāi)發(fā)用于人類(lèi)移植的器官、組織和細胞。目標不僅是解決器官缺陷，而且是對器官進(jìn)行多重編輯，使其優(yōu)于自然人體器官。類(lèi)器官芯片則提供了一種精確的模型，模擬體內器官的生理病理的空間特征和微環(huán)境。這種體內微觀(guān)生理系統的復制為疾病研究和藥物篩選提供了一種新的選擇。
總之，本篇綜述從藥物或治療性核酸轉變?yōu)槟K化基因回路，并進(jìn)一步轉變?yōu)槿斯せ罴毎到y，最終可能擴展到器官和生殖系。這個(gè)過(guò)程涵蓋了合成生物學(xué)目前的熱點(diǎn)和有前景的重點(diǎn)醫學(xué)應用，包括用于藥物生產(chǎn)的細胞工廠(chǎng)、生物催化、新藥發(fā)現、用于疾病監測的基因電路、基因編輯和基因組記錄，以及活益生菌療法。某些應用，如商業(yè)細胞工廠(chǎng)和CAR-T療法，已經(jīng)顯著(zhù)成熟，并引起了熱情投資者的關(guān)注，而其他應用，如核酸疫苗和病毒載體遞送，已經(jīng)為全球流行病管理做出了重大貢獻。合成生物學(xué)在醫學(xué)應用中的開(kāi)端現在變得勢不可擋。曾經(jīng)被認為無(wú)法實(shí)現的日益增長(cháng)的生物醫學(xué)愿望，現在正通過(guò)合成生物學(xué)的新前沿來(lái)實(shí)現。
未來(lái)，合成生物學(xué)的長(cháng)期科學(xué)追求之一似乎是創(chuàng )造生物智能。已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，在合成和組裝編碼的大腸桿菌片段、生殖分枝桿菌的完整小基因組和全套酵母染色體（Sc2.0）方面開(kāi)創(chuàng )了先例。最近的研究，如人工原核系統、DNA存儲和基因組寫(xiě)寫(xiě)，進(jìn)一步證明了實(shí)現這一目標的可能性。這些成就為重新設計、創(chuàng )新，甚至超越生命本身，徹底改變醫學(xué)打開(kāi)了大門(mén)。
另一個(gè)重要的實(shí)驗途徑涉及跨學(xué)科集成的進(jìn)一步交叉，包括計算機輔助設計（CAD）、生物邏輯計算和人工智能（AI）。與合成生物學(xué)日益加強的多學(xué)科融合無(wú)疑將開(kāi)創(chuàng )“合成生物創(chuàng )新醫學(xué)”的新時(shí)代。
合成生物學(xué)在醫學(xué)應用中越來(lái)越受到重視，展示了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的創(chuàng )新技術(shù)合作。然而，前方還有相當大的挑戰，特別是在安全、生物倫理和法律考慮方面。隨著(zhù)醫療療法最終旨在解決人類(lèi)健康問(wèn)題，解決這些短缺和瓶頸變得至關(guān)重要。
這篇綜述只觸及了合成生物學(xué)所帶來(lái)的巨大可能性的表面。鑒于迄今為止取得的非凡進(jìn)展和醫學(xué)應用方面的眾多持續努力，我們預計物種結構和功能的黑匣子將在未來(lái)打開(kāi)。這將導致從原理產(chǎn)品到生物學(xué)中的智能設計的飛躍?？偟膩?lái)說(shuō)，合成生物學(xué)標志著(zhù)醫學(xué)領(lǐng)域一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。