合成生物学技术实用化研发简介

                                             杨顺楷             美密西根州兰辛市一社区  

瑞士苏黎士联邦高等工业学院生物系统科学及工程系生物工程师Martin Fussenegger及其团队认为合成生物学是有用的手段，选择研发目标针对生物医学修复治疗方面。生命科学的进展，使得系统生物学应用包括了从全基因组再编程到简化代谢途径工程得研究领域。他们构建了一个称为“分子线路修复网络”设计。该分子线路结合一个传感器和一个治疗输出端作用于一种动物疾病症状模型，它具有最好且是最有成效的哺乳类 合成生物学设计特点，显示出较真实的临床等效性。

2010年Fussenegger的团队研发出了一套治疗痛风关节炎装置。痛风疾患通常是因为过高的尿酸水平，导致在关节处生成结晶而异常疼痛，同时也破坏肾脏功能。该装置的解决方案是赋予细胞伴有传感线路，并将这些细胞包埋进一种可植入多孔基质，例如海藻酸盐这一类多糖物质；然后把这些组件整体植入实验动物体内。在建立的这种痛风关节炎实验动物模型中，要缺失一种消除尿酸的酶（尿酸酶）。这种工程化的线路提供缺失的尿酸酶，即当其尿酸水平升高时，附加的DNA-结合蛋白及其调控序列诱导出该酶的表达，从而酶解降低尿酸水平。该团队将这些组件引进海拉（HeLa）细胞，并将它们包埋进海藻酸盐介质，制成一个多孔性人细胞植入体，经由它来应答实验鼠的尿酸水平。海藻酸盐介质将植入细胞与动物免疫体系隔离，从而经由孔径通路细胞感知并应答环境反应。当这些细胞植入体引进痛风关节炎实验模型动物，观察到了供试实验动物物理行为的变化，即此前实验动物行走困难，数天后它们的运动行为较大改善。看来这就是在关节处，主要是在肾脏的尿酸结晶被溶解的原因。

生物工程师Martin Fussenegger依据上述的基本范式，已经又建立了数种植入体，包括针对糖尿病二型的光应答植入体；即可借助兰光活化分泌类葡聚糖肽1（GLP1）调控葡萄糖水平。到2012年7月，该团队宣布了他们先进的“生物计算机”，即借助简单的“Plug and Play”操作，在培养人“HEK-293”细胞中，就执行转录和转译调控过程。他们还建立起了一系列复杂构件的逻辑线路。鉴于哺乳动物细胞有其自身的寿命期，因此须得对其代谢状态及生命周期予以精细管理。

波士顿大学生物医学工程师James Collins也 是一位发展合成生物学领域的开拓者。本门学科函盖较广泛前沿研究领域，包括从生物传感器到抗微生物剂，及生物燃料等。本质上是将新的生物功能借助细胞通过再编程予以实现；细胞是作为可程序化的微型计算机，生物有机体是可程序化的制造系统。Collins得到比尔盖茨基金会的资助，开展了一项有关酸乳酪发酵制造中如何规避可能出现的公共卫生问题——霍乱传染病。

在Collins的这一案例中，他希望转化酸乳酪培养物经由微生物传感作用成为抗霍乱弧菌（Vibrio cholela）病原体，即是利用病原体自身的生物化学物质对抗之。他的团队通过对酸乳酪细菌（乳酸杆菌）遗传再编程，用以识别霍乱细菌来源的小分子，经由传感应答分泌出抗霍乱的肽物质，以杜绝病原体感染。因为生物学系统并不是如计算机的二进制，而是随机体系，因此构建一个工作线路并不如想象中那么容易。生物学至今仍然距离现今的工程训练体系较远。尽管合成生物学已经取得很大进展，但是至今仍然保留较多经验式认知水平；合成生物学工作者创制的工作线路须得与预想的设计匹配，还需要花较多时间进行过程优化。伴随着生物学组件，细胞通信和实验设计的推进，该领域的科学家和工程师们正注入了更多的工程概念到合成生物学工作流程。

当代已经有人预言，如果说生物有机体本质上是由遗传学软件驱动的可编程生物制造体系的话，那么通过对前述两个研发团队代表性合成生物学工作的介绍，可以预言新的合成生物学时代将比预想的来得更快。