作者:Mike May / 文 高大海 姜天海 / 译 来源: 发布时间:2016-1-11 12:46:30
合成生物学:离临床再近一点

 
合成生物学为科学家提供了一整个新的工具库,可以准确有效地修饰细胞的分子功能,获取医学方面的优势。据位于剑桥市的麻省理工学院(MIT)Termeer医学工程和科学教授Jim Collins说, “合成生物学将工程和分子生物学结合在一起,模拟、设计和制作出合成的基因环路和其他生物分子组分,并利用其去重新连接并重新编程生物体用于多种用途。”合成生物学的临床使用已经覆盖了非常广泛的领域,包括诊断和治疗。此外,由于当前易于使用的基因编辑工具的出现,这些临床应用很可能会在接下来的几年中获得更迅猛的发展。
 
2012年,分子生物学家Martin Jinek(目前位于瑞士苏黎世大学)和他的同事发表了一篇关于成簇规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)以及CRISPR关联的(Cas)系统的论文,这使得任何一名分子生物学家都可以去编辑生物体的DNA(scim.ag/1piiXv7)。该系统迅速取代了之前的编辑模式,如锌指核酸酶。“这是最为广泛使用的基因组编辑工具。” Collins说,“它开始将合成生物学带给了非专业人士,并且它的流行是因为它在很多生物体中都收效甚好,使用起来非常简单。”
 
合成生物学已经在新的临床应用中发挥作用。例如,Collins和他的同事使用合成生物学方法对一株细胞进行遗传机制修饰,并将它固定在滤纸上便于冻干保存。这一过程可被用来开发基于滤纸的唾液或血液病原检测。Collins指出,嵌在滤纸中的遗传成分所具有的活性和在活细胞中一样。他接着说,这些基于滤纸的诊断可以被工程化,用于“检测抗生素耐药性或埃博拉等病毒感染”。这种诊断法可以快速工程化,来追踪公众的健康问题。除了诊断法之外,以下的例子给出了基于合成生物学的多种临床研究计划和新兴的治疗选择——该领域正在不断地向新的治疗领域延伸。
 
两个阶段的烦恼
 
在合成生物学中,再怎么强调能够有效合成DNA的方法的重要性也不过分。例如在英国,Touchlight Genetics公司的科学家开发一种DNA合成的两步法,可以用于生物制品。“这种酶法过程可以大规模、高产地合成DNA,每升中可以产生数克,无需经过细菌发酵。”Touchlight公司研究应用部团队负责人 Lisa Caproni说。得到的产物因其形状而被称之为“狗骨头DNA(dbDNA)”。
 
Caproni强调,该过程克服了传统DNA合成的诸多缺点。例如,该方法提供了一种可以直接使用的产品,其中,DNA无需从大肠杆菌等细菌原料中制造分离。这是一大优点,是因为产生于细菌中的DNA可能会引入导致抗生素抗性的遗传信息——这对于医疗是不可取的,而且正如Caproni所说,可能“在用于(人体时)会出现不必要的实际和调控障碍” 。她接着说,“一些他们想要的DNA序列却被发现不能在细菌生长。”例如,毒性基因就无法在任何细胞内部产生。Touchlight公司的技术则避开了这些问题。
 
这一技术可用于一些临床相关的应用。“该过程可以产生稳定的线状DNA,可用于治疗性DNA产品的生物制造,例如DNA疫苗和基于DNA的基因治疗产品,还可用于创制多种的生物产品,包括治疗性抗体和病毒载体。” Caproni解释道。“在这两种情况下,都需要大量高纯度的DNA,而且很显然,要想达到这一规模和纯度的DNA是十分昂贵的,而且往往是产品研发的瓶颈所在。”由于不需要细菌的步骤,大量的狗骨DNA可以快速制出,使得创制治疗性产品变得更加便捷廉价。
 
通力合作
 
合成生物学的广泛程度让该领域的团队合作显得尤为重要,尤其是在应用到临床上以后。例如,来自哈佛大学的遗传学家George Church、斯坦福大学的合成生物学家Drew Endy和MIT的微电子专家Joseph Jacobson就共同发起了Gen9公司,这所位于剑桥的公司宣称他们是“高通量的合成基因供应商” 。
 
历史上来讲,科学家只能合成200个或更少碱基对(DNA的四种建造模块)的基因片段,主要是为了降低错误的可能性。Church、Endy和Jacobson一起创制了BioFab platform,这是一种基于芯片的基因合成过程,能够合成几十万碱基对。例如,这一方法可以让研究者用上非核糖体肽链合成酶(NRPS)。这些酶来源于一个长的基因簇,“在鉴定新的抗生素中至关重要”,Gen9公司研发副总裁、分子生物学家Devin Leake表示。开发新的抗生素对于Leake来说尤为重要,因为他对过去的备用品盘尼西林过敏。
 
研究人员也可以将Gen9技术用于其他的临床机会。“我们在蛋白质工程中发现了大量的优势,正如工程化抗体。”Leake表示,他注意到,Gen9可以使研究者准确定义DNA的含量,随后被合成用于产生抗体的变种。“研究者可以修改他们需要的氨基酸,例如在一个抗体的口袋中做出疏水区。”Leake解释道,“单个氨基酸残基的改变可能就会给抗体带来新的特性,我们也因此可以探索整个序列区域。”例如,这类控制能够用于量身定制适合疾病靶标的工程化组分。此外,可以检测到很多候选药物,因为BioFab的平台能够产生数百万变异的基因文库,然后可以用于安全性和有效性的筛选。
 
打造工具
 
一些最令人兴奋的合成生物学的临床应用还只处于萌芽阶段。例如,英国葛兰素史克公司(GSK)的科学家计划使用合成生物学去开发一种能够产生小分子(就像阿司匹林一样)的活体系统,这些小分子通常来源于化学而非生物过程。为了增强这一能力,GSK获得了CodeEvolver的许可,这是一种来自加州Codexis公司的蛋白质工程技术。GSK使用这一合成生物学平台开发独特的酶,用于制成更快、更有效的药物。
 
“我们聚焦在工程生物学上,作为我们在医药生产中对传统化学部分的改进或替代。”GSK的技术研发负责人 Doug Fuerst说。使用生物系统来制造化学组分能够提高组分的质量并降低成本,Fuerst解释道。“使用这种改进的酶方法打开了化学反应的空间,而这是使用传统化学方法所难以实现的。”GSK高级制造技术部负责人 Mark Buswell解释道。实际上,生物学方法是催化这些反应的唯一方法。
 
一旦反应过程通过酶法工程化,它就可以进入细胞,因此每个细胞就如一个制药厂。“我们以控制这些酶的能力入手。”Buswell说。最终,他希望使用酶学知识去控制生化途径,在细胞中而非反应器中制造药物。
 
最终,这种方法可能会用于人类细胞。Buswell将其称之为“天马行空的想象”,但是有一天,可能真的会对一个人自身的细胞进行工程化,来产生治疗某种疾病所需的药物。正如Buswell所指出的,“我们并没有在主动推进这方面工作。”
 
活体治疗法
 
然而,一些公司已经将合成生物学转变为基于细胞的治疗方法。正如MIT的Collins解释的,“该领域已经开始延伸到工程治疗微生物中,所谓活体治疗法。”例如,一种微生物可以被遗传工程化来检测特定的抗原并杀灭它,例如,引起霍乱的Vibrio cholerae细菌。“这种微生物可以同时有活体诊断和活体治疗的作用。” Collins说道。
 
同样的,一种噬菌体(能够感染细菌的病毒)可以被工程化用于处理细菌感染。这种病毒也可用于让已对抗生素产生抗性的细菌恢复敏感度。因此,这些细菌可以再次对抗生素治疗产生反应。随着抗生素耐药性问题不断严重,这一合成生物学技术将会在治疗感染性疾病方面一展身手。
 
尽管Collins表示,这些应用都处于“早期阶段而且更多的是一种前景而非实施阶段”,但是他看到了这些应用在向前推进,而且他也在推动这些技术的发展中做出了多种贡献。例如,位于马萨诸塞州剑桥市的Synlogic公司(Collins是该公司的科学方面共同创始人)正在工程化细菌来治疗苯丙酮酸尿症,这种遗传疾病会使血液中的氨基酸苯丙氨酸含量超高,如不经过治疗也可能会引起精神疾病。
 
除此之外,位于剑桥的EnBiotix公司(Collins也是该公司的科学创始人)正在对一种噬菌体(EPP-001)进行工程化,EPP-001可以使靶向细菌分泌一种酶,破坏细菌的生物膜。Collins和他的同事希望使用EPP-001来治疗假肢关节中的感染。
 
沙门氏菌的颠覆
 
事实证明,细菌可以亦正亦邪。例如,美国疾病控制与预防中心报道,每年大约有一百万人会感染沙门氏菌,其中380例是致命的——但是这一细菌也并不总是坏的。位于英国Prokarium公司的科学家使用遗传改良的沙门氏菌来接种疫苗。“我们已经改良了沙门氏菌。经过工程化,我们保持了它进入机体免疫细胞的能力,同时阻止它引发疾病。”Prokarium公司首席执行官 Ted Fj??llman说。Prokarium公司使用细菌来传递口服的疫苗。“它通过肠内壁进入人体,被免疫细胞吞噬,随后开始制造疫苗。” Fj??llman说,“这就像是在你体内的生物反应器。”
 
目前为止,该技术已经在英国、美国和越南完成了人体测试。此外,也已作为腹泻、乙型肝炎和伤寒的疫苗进行了测试——尽管还是在临床测试阶段。无论如何,Fj??llman表示,该平台“能够传递几乎任何一种蛋白质疫苗。”
 
且不论该平台的前景,更多的工作摆在了Fj??llman和他的同事面前。尽管Prokarium公司从位于马里兰州盖瑟斯堡的Emergent Biosolutions公司购买了伤寒疫苗,这一沙门氏菌—疫苗组合体还是必须通过严格的临床测试。
 
如果该技术被证明是安全有效的,将会带来诸多裨益。除了口服疫苗的优势之外,基于沙门氏菌的疫苗在37℃的温度中也可以保持数周的热稳定性。“这对于发展中地区来说非常有用。”Fj??llman表示,“如果我们能够实现这一点的话将会成为重要的替代技术。”
 
裁剪组织
 
合成生物学的基础不仅是基因和蛋白。例如,英国OxSyBio公司开发的3D打印技术,可以构建生物材料或制造出模拟它们的材料。2013年,牛津大学的Hagan Bayley 和他的同事描述了这些组织模拟(scim.ag/10ClLDf)。3D工序能够控制微滴的大小,大约是30-50??m。通过打印出体积上只有皮升级别的数万粒微滴,Bayley和他的同事生成了由双层脂质分隔的类似细胞的小室。通过蛋白修饰使双层膜具有类似生物膜的功能,甚至容许类似于在神经元中发生的电子通讯。作者的结论是,“打印出的微滴网络可能与组织相结合,作为组织工程的基底使用,或者作为活体组织的模拟物。”
 
Bayley的打印技术可以扩展到产生功能组织的活细胞,用于医学研究并最终用于临床应用。OxSyBio公司正在进行该研究。“这些打印的组织非常类似于生物组织,我们期望它们能够被用于毒理学或药物筛选。” OxSyBio主管Mike Molinari说。此外,这些组织中的细胞可以进行遗传工程,进一步突出组织的特性。
 
打印出的组织最先进的临床应用将出现在未来,但是Molinari看到了近期内的一些潜在可能性。例如,他说:“组织块可用于修复损伤的心脏组织。”他接着说,“尽管打印完整的合成器官不容忽视,器官修复却似乎更有前景。我们将从小处着眼,然后迁移到更大、更复杂的组织中。”最终,Molinari希望能有更伟大的应用:“某一天”,他说,“我们甚至可能会在手术室中提供按需打印。”
 
合成生物学的临床应用的最终范围仍不明朗。如今,在诊断学、药物发现和组织工程中的应用将会迅速拓展,从而产生目前难以想象的大量机会。的确,合成生物学有一种潜力,能够彻底改变临床医生管理疾病的方式,让我们的生活更加健康。■
 
(译者之一高大海系中国科学院海洋研究所助理研究员)
Mike May 是科技出版顾问。
DOI: 10.1126/science.opms.p1500097
鸣谢:“原文由美国科学促进会(www.aaas.org)发布在2015 年9 月25 日《科学》杂志”。官方英文版请见 http://www.sciencemag.org/site/products/lst_20150925.xhtml。
 
《科学新闻》 (科学新闻2015年12月刊 科学·生命)
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