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Nature:逼真的未来工厂

摘要 : 从进化的角度讲,酵母与制作止痛剂可谓风马牛不相及。但是通过对这种微生物的基因重新进行编辑,美国斯坦福大学科学家Christina Smolke使其精确地拥有了这一功能,Smolke团队用糖作为一种原料,将酵母转变成了一个“生物工厂”,生产出了有效的止痛剂氢可酮。

 

日本公司Spiber对细菌进行了重编程,用来制作生产服装的蛛丝。

从进化的角度讲,酵母与制作止痛剂可谓风马牛不相及。但是通过对这种微生物的基因重新进行编辑,美国斯坦福大学科学家Christina Smolke使其精确地拥有了这一功能,Smolke团队用糖作为一种原料,将酵母转变成了一个“生物工厂”,生产出了有效的止痛剂氢可酮。

这是合成生物学的有名案例之一。在此过程中,科学家对细胞进行了重编程,复制出自然界中发现的物质,甚至是生成了自然界有机物从未正式生成过的物质。

合成生物学家雄心勃勃。“我们都喜欢想象这样一个世界,在那里我们能够用生物学方法,反复、快速地按需生产任何产品。”伊利诺伊州西北大学合成生物学家Michael Jewett说。全球各个团队正在通过基因编辑酵母、细菌和其他细胞,制作塑料、生物质能源、医药以及纤维,其目标是建立比工业同行更加廉价、简便、可持续的生命工厂。例如,日本鹤冈市生物材料公司Spiber,已经通过重新编程细菌加工出蛛丝,可用于制作坚韧且轻便的冬装。

但是合成生物学家要做的不仅仅是制作材料,他们正在通过把部分基因“接通”成电路,从而制作非常复杂的结构。这些新领域已经拥有一些成功的案例,但是当前把基因组件结合在一起,需要大量的推测,其中具有相当大的不确定性。为了促进该领域的进步,学术界和产业界必须就可靠的基因组件工具箱以及组织它们的最佳策略达成一致。

由于DNA基因测序价格的大幅下降,合成生物学家可以通过大量基因数据选择有用的基因。“生物学给我们提供了一个大到难以想象的可供选择的阅览室。”麻省理工学院合成生物学家Christopher Voigt说。其中的一个领先数据库,如美国国家生物技术信息中心的基因库,就包含着超过1.9亿个来自10万个有机物的DNA序列。

拥有无数合成DNA片段可供支配,合成生物学家便可以尽情地从事他们的研究。Voigt对这样的前景抱有极大热情:“生物学让人着迷的一点是,做同一件事情可以有很多种方法,作为一名基因工程师,你可以选择最简便的设计途径。”如果要实现设定的工业目标,那么基因组件就必须具备始终如一的特点。“总体来看,生物学面临的一个关键问题是,缺乏可再生能力。”英国伦敦帝国学院系统与合成生物学研究所负责人Richard Kitney说,“合成生物学领域的这个问题完全让人难以接受,因为如果要进行工业转化,就必须拥有可复制性。”

美国国家标准和技术中心(NIST)去年3月启动了合成生物学标准联盟,其目的是在学术机构和工业界使合成生物学设计、记录以及组装过程标准化。在英国,Kitney也在协调类似工作,DICOM(医学数字成像和交流)的医学信息共享标准将会扩展到包括合成生物学在内。与此同时,一个国际团队已经开发了SBOL(合成生物学开放语言),为研究人员提供描述基因组件和电路的标准词汇。

细胞软件

由于自动化程度的提高,现在制作合成DNA组件比以前更加简便和容易。但是将哪些部分相连,形成可以协同工作的基因电路,用来提供复杂的、像计算机一样的行为仍是一项挑战。“任何时候,在生理上连接DNA时,你都是在那个界面上创建一个新序列。因为DNA的信息含量是如此之大,你能够以此创建一个新的启动子或是改变RNA的开端。”Voigt说。

即便是仔细设计的电路也可能发生故障,导致生物电路内部基因元素之间不希望的基因表达或是干扰,而这样的后果在计算机模型中很难预见。“合成生物学界在很大程度上就像是在一个我们难以预测结果的世界里工作,当我们在构建它们的时候,不知道系统内部会发生什么。”马萨诸塞州波士顿银杏生物工作室共同创始人Reshma Shetty说。

这种不确定性意味着,通过基因工程编辑一个合成系统的很多步骤需要进行测试和优化。从建造人工DNA到将其插入一个微生物体,软件工具和机械系统正在加速这一过程中的每个环节。“你可以利用高通量原型构建每个变量,并抱着它们中总有一个能够达标的期望。”该领域先驱、加州大学伯克利分校生化工程师Jay Keasling说。自动化推力已经让大量合成生物研究中心和企业装备“生物铸造”设施,从而让自动化生产线可以在比人工操作大得多的规模上生产、测量以及优化微生物。

生物铸造厂正在让合成生物学家开始实施雄心勃勃的项目。麻省理工学院—博德研究院铸造中心共同负责人Voigt举了一个例子,他们利用与瑞士制药公司——诺华的一项合作,生产了大量由人类肠道中的细菌生成的分子。

一些生物学家对匆忙扩展规模以及自动化生产持怀疑态度,他们赞成侧重理论驱动的策略。但是SynbiCITE共同负责人Kitney认为,自动化在合成生物学发展过程中是不可避免的一步。“你可以迅速地同时进行一系列的实验,以此了解哪些配置可以更好地发挥作用。”他说。

最佳宿主

实验室普遍使用的模式生物,如啤酒酵母、大肠杆菌,都曾被合成生物学家“征用”。合成生物学很多突破性进展都是用这些有机物实现的。例如,Keasling及其合作者2003年在加州共同成立的公司Amyris重新对啤酒酵母进行了编辑,制作出抗疟疾化合物青霉素。

但是这些普通的实验室有机物并不适合发展成工业化的规模。寻找更好的选择方式让科学家开始搜寻更加模糊的地方。“越来越多的科学家在尝试神秘的有机物,我认为啤酒酵母和大肠杆菌的使用量正在下降。”Voigt说。

在一些地方,理想的选择可能是那些能够经受严酷生产状况的有机物,Keasling说。“可能你在加工一些有毒的挥发性物质,因此你如果有一种有机物能够在相对高温下生成这种物质,那么在制作它的时候,可能会将其煮沸。”科学家还在进行实验,观察是否能够给微生物喂食碳而不是糖来生产产品。马里兰州合成生物学公司Intrexon正在利用以甲烷为食物的细菌,这是一种比以糖为基础更加廉价、有效的碳基产品。

医疗细胞

涉及到医疗应用领域,合成生物学家正在对哺乳动物细胞而不是微生物进行基因编辑。这种设计使细胞能够生成对抗疾病的药物,或是为那些患有糖尿病等代谢性紊乱的人进行某些生理任务。但是基因编辑哺乳动物细胞存在一系列的挑战。“我们在酵母方面拥有的工具在哺乳动物细胞那里都没有作用。”Smolke说,“我们没有足够用于调节基因表达或蛋白修饰的激活子或是工具。”

最早培育的工具是像肿瘤一样、无限增殖的细胞株,其本质上是有缺陷的,因此不能代表健康组织。来源于组织的原始细胞又很难培育及操作,不同种类的细胞会让构建可用于整个机体的工具包的尝试发生混乱。“在肾脏细胞中发挥作用的物质不一定能够在肺部或是肝脏中发挥作用。”瑞士联邦理工学院Martin Fussenegger说。为了克服这一问题,该团队正在编辑“人工基因电路”,它可以被植入宿主细胞的患病处。

修改基因也会带来问题。即便是“智能”基因编辑工具,如将目标修改基因引入特定DNA位点的CRISPR-Cas9技术,也可能会带来不可预测的结果。“我们对人体细胞的轨迹了解得仍然不够,比如在哪里插入修改基因后不会产生干扰。”Fussenegger说。他的团队正在通过引入镶嵌在DNA合成回路中的被称为质粒的基因网络,而不是整体直接植入染色体的方法,探索是否能够避免这种不必要的问题。作为一项额外的预防措施,他用小鼠进行的实验基本上是利用经过基因工程编辑的、包裹在植入囊中的细胞,而不是对小鼠的组织进行编辑。

目前,这一领域仍处于婴儿期。实际上,最早的基因编辑回路案例在2000年初才开始出现,其复杂程度令人生畏。尽管如此,越来越多从事传统分子生物学研究的科学家都非常热切地希望,能够尝试这种基因设计。从麻省理工学院合成生物学家Ron Weiss的在线课程可以看出该领域的受欢迎度。“我们有大约1.4万人注册。”他说。

进入该领域的大门带来的利益可能非常巨大。“我的从事的这一领域,对于生物学可以做的事情来说,其可拓展的前沿是无限的。”Shetty说,“那些新前沿在哪里打开,只是技术到达哪一步的问题。”

原文链接:

Living factories of the future

原文摘要:

From an evolutionary perspective, yeast has no business producing a pain killer. But by re-engineering the microbe's genome, Christina Smolke at Stanford University in California has made it do precisely that. Smolke and her team turned yeast into a biofactory that, by starting with sugar as a raw ingredient, makes the potent pain-relief drug hydrocodone.

来源: Nature 浏览次数:0

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