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shRNA表达克隆

合成生物学大有可为

Nov 27, 2018 No Comments

 

合成生物学大有可为1

孟加拉国接受输血的儿童。相比于富裕国家,在孟加拉国维持血液供应要困难得多。

 

 

Dan Fletcher认为,要想利用强大的合成生物学工具解决现实问题,必须着眼于一些更远大的目标。

调整和工程化之间存在着微小却又重要的差别。几十年来,科学家一直在分子尺度上调整细胞。 1974年,两名研究人员将一只青蛙的DNA加载到细菌中,促使微生物产生外源RNA。 二十年后,科学家利用水母中的荧光蛋白跟踪线虫中的基因表达,并在果蝇中标记感兴趣的分子。该荧光成分在显微镜下发出荧光——这开启了观察细胞生物学的新时代。

现在,位于华盛顿州西雅图的艾伦细胞科学研究所(Allen Institute for Cell Science)的生物学家正在调整人类干细胞的DNA,通过用荧光对应物取代天然蛋白来探测细胞的组织和功能。 医生们也加入到这个行列中,通过调整患者的免疫细胞以改善癌症的治疗,这一方法——癌症免疫疗法大获成功。

在我看来,工程化与这些都不同。工程化的最终目标是构建解决问题的系统,例如为糖尿病患者提供人工胰腺。工程化的生物系统必须从细节抓起——以实现所需的功能,并最大限度地降低故障或意外后果的风险。这意味着要从头开始构建系统,并精确了解每一个组件。换句话说,当设计图谱完成时,工程化就开始了。

调整——通过微小变化微调系统——仍将是生物发现和新疗法开发的重要手段。相比之下,工程化通常需要大型团队、更大的预算和更明显的目标,才能通过设计实现雄心勃勃的目标。工程化也更能揭示我们对设计的系统的了解程度。

现在合成生物学的技术已然成熟(参见“定制,而非修补”)。但解决重大问题需要的不仅是在实验室证明一件事的可能性,而且需要设定一些宏伟的目标,并切实实现这些目标。是时候将这种新兴能力集中在工程化生物学上了——并投入资源来实现这一目标。

 

定制,而非修补
科学家们已经建立了识别单个细胞几乎所有部分所需的分离和表征方法。同时,他们在设计所需功能和以新方式组装零件方面也取得了长足进步。

由于合成生物学家在21世纪初期的工作,基因回路可以设计为使用AND,OR和NAND的逻辑门(基本信号回路)。科学家们还可以设计出感知和杀死肿瘤的蛋白质的基因回路,例如感光元件。

使用基因组编辑工具,可以修饰酵母基因,用以产生生物燃料、鸦片制剂或无植物啤酒花。完全改造基因组也是可能的:2016年,研究人员简化了细菌Mycoplasma mycoides的整个基因组,并将这种“最小基因组”整合到其他细胞中,整合后该细胞还能够继续生长。

 

生物工程师的愿望清单

那么这些目标应该是什么呢?

在讨论这个话题时,我先不考虑多细胞工程项目(例如人造组织和器官),因为工程化更小的系统也具有重大意义。 我主要聚焦在未来十年内通过正确的协调、合作和支持能够实现的目标。我专注于人类健康问题,因为这是我最常想到的一个领域。(合成高产、抗旱、抗虫和环境友好的工程化作物也很重要,但不在此讨论范围内。)

我的“愿望清单”如下:

人造血细胞。在包括移植手术、心血管手术、车祸、妊娠相关并发症和儿童期疟疾在内的各种疾病的治疗中,输血都至关重要。仅在美国,每天就需要36000单位的红细胞和7000单位的血小板。

但是,保持自愿献血者充足的血液供应可能具有挑战性,特别是在低收入和中等收入国家。雪上加霜的是,必须对来自捐献者的血液进行广泛检查,以防止传染病的传播,并且血液的保存时间短至42天,血小板只能保存5天。如果能够以纯化或合成的组分为原料合成血液细胞,事情会不会不一样?

原则上,科学家们已经能够制备具有红细胞的携氧能力或血小板凝固能力的细胞样隔室。隔室需要在其表面上构建分子以防止其受到免疫系统的攻击,类似于正常血细胞上的隔室。同时,隔室表明需要其他分子来检测信号,并触发响应。

在人造血小板的情况下,该信号可能是蛋白质胶原蛋白,当血管破裂时循环血小板暴露于蛋白质胶原蛋白中。这样的隔室还需要能够释放某些分子,例如因子V或冯维勒布兰德凝血因子(von Willebrand clotting factor)。这可以通过基本形式的胞吐作用来实现,例如,包含这些因子的囊结合在膜上,通过与外膜融合,而释放这些因子。

现在已有技术可以将活细胞中的细胞质成分包裹在膜隔室中。现在一个主要挑战是开发将所需蛋白质受体插入到脂质膜中的方法,以及重构受体信号传导。

如果要合成首个功能上有用的细胞系统,红细胞和血小板是最好的选择,因为它们不包含细胞核。因此,不需要设计核运输、蛋白质合成和蛋白质运输等复杂功能。如果成功的话,我们就不需要把A的血液输注到B体内了。

 

 

合成生物学大有可为2

扫描电镜下的人类血液。

 

 

设计免疫细胞。目前,免疫疗法通过塑造免疫系统对肿瘤的反应,为癌症患者带来了新的希望。癌细胞通常会关闭免疫反应,因为免疫反应会杀伤癌症细胞。使用治疗性抗体来抑制这一过程大大提高了多种癌症患者的生存率,包括皮肤癌、血液癌和肺癌患者的生存率。同样成功的是过继性T细胞转移技术。这种方法中,患者的T细胞或供体的T细胞经过工程化后,表达靶向肿瘤细胞表面抗原的受体,检测到肿瘤抗原后,T细胞会杀死癌细胞(这种方法被称为CAR-T疗法)。这些方法都巧妙激活了免疫反应,导致白细胞破坏肿瘤细胞。

如果研究人员更进一步,构建向肿瘤细胞移动、结合并消除肿瘤细胞的合成细胞,那事情会怎样?

原则上,这些细胞不受进化压力的影响,可以设计以完成各种从杀死特定的肿瘤细胞和病原体到清除脑淀粉样斑块或胆固醇沉积物的任务。如果可以大规模生产人工免疫细胞,甚至可能会减少个性化治疗的需求,从而降低成本且扩大使用规模。

为了确保健康的细胞不受影响,工程师还需要设计复杂的信号处理系统和安全措施。合成免疫细胞需要能够检测并向化学信号或肿瘤移动。(重建细胞运动的复杂过程本身就是一项重大挑战,涉及提供能量的ATP分子到能够运动的肌动蛋白和肌球蛋白等组分的组装。)

研究人员已经制造出类似细胞的、可以变形的隔室,并在其中安装了信号回路。这些最终可用于控制运动,并调节对外部信号的响应。

智能递送载体。在实验室中用特定药物处理细胞,或引入新的蛋白质和工程化基因组相对容易,但把分子递送到人体或动物体内特定位置相对难。大多数疗法中最大的挑战之一是在正确的时间把分子放到正确的细胞里的正确位置。

利用病毒将DNA和RNA分子传递到细胞中的技术已经非常成熟。但病毒大小限制了货物的大小,同时病毒并不一定能转染进入特定细胞类型。靶向抗体的合成囊泡已经改善了药物向某些肿瘤的递送。但药物对肿瘤的靶向效果取决于患者的循环系统,因此结果好坏参半。

是否能够把携带治疗性分子的载体设计成能感知自身在体内的位置,并向目标区域移动的“智能”载体?比如,设计出能穿过血脑屏障的载体。

这一直是药物递送领域的梦想。但同样的难点仍然存在:将限定的组分封装在膜中,将受体结合到膜中,并设计信号处理系统以控制运动,并触发载体内容物的释放。

免疫细胞“背包”就是一个成功的尝试。在这种方法中,包含治疗分子的颗粒结合在免疫细胞上,利用免疫细胞的运动性和靶向能力将分子携带到特定位置。

最小表达组。在前面的例子中,工程化的细胞样系统可以在数小时或数天内发挥作用,而不需要通过基因表达进行额外的蛋白质产生和调节。然而,对于许多其他任务,例如在体内持续产生胰岛素,表达蛋白质,上调或下调某些基因以及执行更长时间功能的能力将是至关重要的。

设计能够持续基因表达和功能稳态的“最小表达组”将是构建合成细胞的宝贵起点。这种合成细胞能产生蛋白质,形成组织,并且可以存活数月至数年。这需要详细了解和纳入代谢途径,运输系统和细胞核物质运输——这无疑是一项艰巨的任务。

现在,科学家们可以以碱基、生物酶或细胞内大规模组装来合成DNA。但我们还不知道如何在没有活细胞的情况下将合成基因组转变为功能系统。

自21世纪初以来,生物学家已经在载有细胞质提取物的合成区室中实现了基因表达。并且复杂性增加的遗传回路(其中一种蛋白质的表达导致另一种蛋白质的产生或降解)现在成为广泛研究的主题。仍需攻克的难题包括:持续的基因表达,基本的蛋白质运输和能量产生。

风险和回报。十年后,我们就能知道这个愿望清单是太遥远,还是太短视。这也是为什么这个工程生物学时代如此让人兴奋。无论是否实现这些目标,从已知部分构建系统的尝试将使我们的注意力集中在理解这些系统如何工作上。

目前,来自不同领域的研究人员正在探索其中的许多想法。它们通常被认为风险太大而无法被传统资金来源所接受,因此被降级为子项目。

但这些宏伟的目标只有通过全心的投入才能实现,这意味着需要足够的时间和金钱。一些举措正在改变这种情况。德国马普所合成生物学研究网络(Max Planck Research Network in Synthetic Biology)正在资助确定生命系统最小构建块的工作。9月,美国国家科学基金会(US National Science Foundation)根据其“了解生命规则”(Understanding the Rules of Life)计划启动了一个促进合成细胞工程的项目。

但这个领域还需要更多的支持——特别是比联邦和工业资金持续时间更长的资金支持。依靠可持续的资金以及工程生物学在应对社会挑战能起到重要作用的共识。我们可以建立一个新世界,在这里,我们可以像信任飞机会安全降落一样地相信人工细胞可以检测和治疗阿尔茨海默病的早期症状。

需要明确的是,调整生物学并没有错。当我们更深入地了解细胞如何组织细胞膜和细胞骨架时,我的实验室将继续调整、改造和修补。但现在是时候关注、组织和设定明确的目标来解决重大问题。问题已迫在眉睫,必要的工具也已经准备就绪。物理学家Richard Feynman说:“我所无法创造的,我也无法理解。”在这个设计生物系统的时代,这句话可以引申为:“我所无法设计的,我也无法使用。”


原文检索:
Dan Fletcher. (2018) Which biological systems should be engineered? Nature, 563: 177-179. 
张洁/编译

 

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