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Jim Collins：合成生物学应用广泛，最终归宿将会在新疗法的开发

花匠小妙招
2024-11-06 16:17

合成生物学也许会对新疗法的开发、疫苗的发展以及诊断有极大的帮助。

近日，麻省理工的医学工程和科学教授，同时也是哈佛大学 Wyss 研究院的创始人之一 Jim Collins 博士，在接受媒体采访时,分享了他对于合成生物学在科研中的应用、以及他对于这个领域未来的看法。

合成生物学是一门包含了设计和构造新兴生物系统，以及重新设计现存系统的学科。虽然这个概念已经有了二十多年的历史，对于生命科学的从业者来说，它的潜力才刚刚开始展现。

“合成生物学给予了我们一个机会，让我们能把工程技术，用在细胞和生物材料上。“ Collins 教授讲到。“它能让我们设计一个新的功能，并把它加到已有的生物系统里，或者加强现有的功能。”

Collins 教授认为，合成生物学赋予了我们改善现有疗法或者开发新疗法的机会。他提到，合成生物学在疗法开发上有两个显著的优点：第一，合成生物学可以根据需求去定制一个系统。第二，通过它，我们可以设计一个可以感受环境、并且能根据环境做出反应的生命系统或者无细胞系统。

Collin 教授特别强调，这种强度的控制是传统的开发方式很难、甚至是无法达到的。

重新编程生物

Collin 教授的主要研究方向是对生物的重编程，以及更进一步的探索早期合成生物的合成基因回路。

“我们成功的展示了利用工程学的方法，我们可以创造一个能够施行一系列功能的生物回路，可以有逻辑地根据特定的信号去作出某种决定。” 他解释道。“最初，大约在十年前，我们就展示了我们可以把这些回路组合起来，这样一来细胞就可以感受它们周围的环境，也可以对这些环境做出有针对的反应。我们当时在那个方向的研究使得我们能在今天创造出全细胞生物传感器。”

Collins 教授解释道，在创造出全细胞生物传感器后，他和他的团队逐渐的把注意力转向了细菌改编。他们想要创造一种新型的生物疗法和诊断方式。他们的动力来自于盖茨基金会的一个挑战，通过改编细菌去检测和治疗霍乱，研究人员们通过一篇发表在《科学转化医学》期刊上的论文，向世界展示了他们对于这次挑战的成功。他们重新改造了霍乱弧菌的群体感应系统，并且把这个新的系统植入了乳酸乳球菌中，而改造后的乳酸乳球菌则可以在老鼠的肠道内充当预警器和抑制器。

“重新编程生物的过程，本质就是利用很普遍的克隆技术，通过这个技术我们可以先完善一个回路的想法，最后再把它搭建出来。” Collins 教授讲到。

他解释说，通常我们会先用数学建模去摸索到正确的零件和回路架构，然后我们才会把这个回路构建出来，并且在实验室里对它进行一系列的测试。这些通过各种酶工具构建出的回路则会被植入细胞中，在此过程中，我们需要不断地进行调试，直到这个回路连上正确的输入和输出通路。

合成生物学和诊断

“合成生物学独特的设计能力也可以被用于疾病的诊断，” Collins 教授说道。

他指出， CRISPR 诊断技术就是一个十分成功的例子。例如，一个被批准使用的新冠监测方案就是根据合成生物学的理念设计而成的，这个测试每个月可以检测多达一千万个样本。

Collins 教授认为这个技术的优势在于它的编程非常容易，简单地核酸技术就可以达到标准。其他优势还包括更多的可操控性，例如通过合成生物学去建造一个扩增的环节，以及可以综合数个输入项目去逻辑性的得到一个决定，然后输出出去。

合成生物学的挑战

Collins 教授认为，合成生物学最主要的难题是编程一个生物所需要的时间过于的冗长。因为基因的部分需要慢慢地与细胞结合，还要再结合后进行一系列的测试，这个过程有时候可以长达数个星期甚至数个月。

此外， Collins 教授还认为现在可以让生物回路产生想要效果的分子零件也远远不够，而这个也极大的阻碍了合成生物学的发展。

最后， Collins 指出现有的生物知识还不足以支撑我们去定量预测一个回路的表现；科学家们还不能够把现有的部件组合起来，也不能全面的和定量的去预测它们在一个活体宿主里的表现。如果想要达到这个水平，科学家们需要去更加全面的研究每个部件和宿主的互动。

“我认为我们需要生物学家和工程师去进行更大规模的合作。我们需要更好的工具去测量细胞层面的反应，同时为了能利用例如深度学习这种新兴的、更高级的计算机技术，我们需要去收集更大的数据集。”

合成生物学的进化

Collins 教授认为在近几年，关于合成生物学的创业项目和中等大小的公司会有重大的增长，同样学术界也会有类似的增长。但是他认为从业界整体考虑，最终合成生物学的归宿将会是新疗法的开发。

“我觉得对于合成生物学来说，最令人兴奋的发展方向就是疗法开发了。这个领域已经有二十多年的历史了，而现在我们正在第三个十年中。” Collins 说道。

他一直都相信合成生物学是开启很多疾病下一代疗法大门的钥匙，他还指出，合成生物学会影响不同的疗法开发领域，包括细胞疗法、基因疗法、小分子疗法以及 RNA 疗法。

然而， Collins 重点强调的一个领域是疫苗开发。他说合成生物学在疫苗的进展中发挥了不可替代的作用，特别是最近在预防层面上对于信使 RNA 的运用。

“当年我们和 Derrick Rossi 合作获得了一系列有关于合成信使 RNA 的研究成果，他最终也因为这些成果创立了莫德纳公司。当时我们和 Derrick Rossi（莫德纳共同创始人）以及 George Daley（哈佛大学医学院院长）进行了合作，我们的团队开发出并且第一次将合成信使RNA用在了细胞重编程上，就是这个研究让 Rossi 创立的莫德纳，而莫德纳也在过去的一年里对这个世界产生了巨大的影响。我认为在今后的日子里，在合成信使 RNA 疫苗和疗法上，我们会看到更多有趣的尝试。”

结语

“合成生物学将会成长为这个世纪的领头技术之一，特别是在健康领域里。” Collins 教授总结道。

他也强调，合作是合成生物学的未来，合作也能揭露合成生物学还未被探索的潜力。“现在我们也只是掀开了它面纱的一角，而它的未来则有无限的可能。”

责编| Evan

https://www.drugtargetreview.com/article/97051/the-diversity-of-synthetic-biology-applications/

https://www.pnas.org/content/112/47/14429

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.aao2586

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