合成生物學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

　　摘要：合成生物學(xué)旨在基于工程學(xué)原理，通過人工合成生物調(diào)控元件、模塊和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等對細胞進行設(shè)計和改造，以實現(xiàn)細胞和生命體的定向演化。在醫(yī)學(xué)研究中，合成生物學(xué)主要采用人工設(shè)計合成治療性的基因回路，制備工程化細胞植入體內(nèi)，糾正機體已發(fā)生缺陷的生物調(diào)控元件，以達到治療疾病的目的。本文對合成生物學(xué)的興起、發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用和研究進展進行了綜述。

　　關(guān)鍵詞：合成生物學(xué);基因工程;細胞療法;基因回路;生物傳感器;光遺傳裝置;溫控裝置;生物物質(zhì)調(diào)控

　　合成生物學(xué)(syntheticbiology)是一門匯集生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)和信息學(xué)等多種學(xué)科的交叉學(xué)科，其實現(xiàn)的技術(shù)路徑是運用系統(tǒng)生物學(xué)和工程學(xué)原理，以基因組和生化分子合成為基礎(chǔ)，綜合生物化學(xué)、生物物理和生物信息等技術(shù)，旨在設(shè)計、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過程，以構(gòu)建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)以及人造細胞或生物體。合成生物學(xué)發(fā)展早期設(shè)計和構(gòu)建的生物元件，主要應(yīng)用于原核生物或簡單真核生物，如酵母等[1]。隨著基因組信息和分子克隆技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，許多真核細胞的生物元件也被設(shè)計并成功合成[1]。由于分子生物學(xué)和細胞生物學(xué)技術(shù)的進步，基因療法和細胞療法為疾病治療提供了一種全新模式。

　　細胞療法是通過體外細胞移植，以實現(xiàn)治療疾病的目的[2]�；�因治療則是將外源正常基因?qū)�入靶細胞，以糾正因基因缺陷引起的疾病[3]。合成生物學(xué)融合了基因療法和細胞療法，將轉(zhuǎn)染了具有治療功能的人工合成基因回路(genecircuit)的工程化細胞植入生物體內(nèi)以實現(xiàn)治療疾病的目的，是臨床治療手段的重大變革。同時，與傳統(tǒng)治療方式(如藥物治療、放射治療以及手術(shù)治療等)相比，合成生物學(xué)可在更大的時空范圍內(nèi)，通過影響機體的特定生物學(xué)過程而重建生命內(nèi)穩(wěn)態(tài)，以達到治療疾病的目的，更是一種醫(yī)學(xué)模式和治療理念的轉(zhuǎn)變。本文對合成生物的起源、發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用和研究進展進行了綜述。

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　　1合成生物學(xué)概述

　　1.1合成生物學(xué)興起

　　“Syntheticbiology”一詞最早由法國物理化學(xué)家StephaneLeduc于1911年在其所著的《生命的機理》(TheMechanismofLife)一書中首次提出，在該書中其試圖利用物理學(xué)理論解釋生物起源和進化規(guī)律，認為“構(gòu)成生物體的是其形態(tài)”，并歸納為“合成生物學(xué)是對形狀和結(jié)構(gòu)的合成”[4]。雖然，當(dāng)時化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到合成有機化學(xué)的階段(1828年，人工合成第一個天然有機物——尿素[4])，但對生物大分子的化學(xué)本質(zhì)尚未完全理解，同時受限于對生物體和生命運動規(guī)律的全面認識，“合成生物學(xué)”一詞基本為一種“形態(tài)上的模擬”，且缺乏基本的科學(xué)依據(jù)[4]。實際上，自20世紀中期才開始建立合成生物學(xué)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。1953年，詹姆斯·杜威·沃森(JamesDeweyWatson)和弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)[4];1958年，克里克提出遺傳的“中心法則”，闡明了遺傳信息構(gòu)成和傳遞的規(guī)律，為合成生物學(xué)提供了基本原則[1,5]。

　　1961年，法國科學(xué)家莫諾德(Monod)和雅各布(Jacob)提出乳糖操縱子模型，闡述了基因調(diào)控的基本規(guī)律[6]。1966年，遺傳密碼的解析完成，為基因工程的出現(xiàn)和合成生物學(xué)的誕生提供了理論基礎(chǔ)[1]。自20世紀50年代到60年代，這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)使遺傳學(xué)與生物化學(xué)和細胞生物學(xué)緊密結(jié)合，開啟了生物分子結(jié)構(gòu)與功能相聯(lián)系的分子生物學(xué)時代。直到1970年，由于限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)(DNA特異性剪切的重要工具，同年逆轉(zhuǎn)錄酶也被發(fā)現(xiàn))，以及已成功鑒定的DNA聚合酶和DNA連接酶，使體外進行DNA操作成為可能[6]。在此基礎(chǔ)上，1972年生物化學(xué)家PaulBerg將細菌病毒的DNA拼接到猴子病毒SV40.1中，創(chuàng)建了第一個重組DNA分子[7]。1973年，Cohen等[8]首次將DNA片段與質(zhì)粒連接，并轉(zhuǎn)化到大腸桿菌(Escherichiacoli)，這標(biāo)志著基因工程技術(shù)的誕生。

　　基于上述研究進展，1974年波蘭遺傳學(xué)家WaclawSzybalski闡述了合成生物學(xué)的新內(nèi)涵：“一直以來，我們都在做分子生物學(xué)描述性的工作，但當(dāng)我們進入合成生物學(xué)的階段，真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始。我們可以設(shè)計新的調(diào)控元件，并將新的分子加入已有的基因組內(nèi)，甚至建構(gòu)一個全新的基因組。這將是一個擁有無限潛力的領(lǐng)域，我們幾乎可以不受任何限制地去做一個更好的調(diào)控回路。最終，將會有新的合成有機生命體的出現(xiàn)”[3-5]。1979年，美國化學(xué)家HarGobindKhorana合成了含有207個堿基對的DNA序列[9]，從此開啟了合成生物學(xué)時代。1980年，BarbaraHobom開始使用“合成生物學(xué)”這一概念來表述基因重組技術(shù)[5,10]。

　　進入20世紀80年代，由于分子克隆技術(shù)和聚合酶鏈式反應(yīng)技術(shù)(polymerasechainreaction,PCR)的快速發(fā)展，使基因合成技術(shù)逐漸完善。與此同時，雙脫氧法DNA測序技術(shù)的誕生及測序技術(shù)的不斷進步，為人類基因組計劃(humangenomeproject,HGP)的實施提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。二十世紀九十年代，高通量測序(第二代測序技術(shù))的出現(xiàn)和信息技術(shù)的引入，使基因組測序的數(shù)據(jù)呈海量增長的態(tài)勢[5]。之后，人類基因組計劃和一系列生命“組學(xué)”計劃的啟動與完成，描繪了生物體及其生命運動的“藍圖”;同時，隨著生物信息學(xué)、計算生物學(xué)等一些新興交叉學(xué)科的發(fā)展，標(biāo)志著對生命的研究進入了基因組時代，也為合成生物學(xué)的發(fā)展奠定了實質(zhì)性的、全面的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。

　　由于在基因組學(xué)研究領(lǐng)域的巨大成功，尤其是人類基因組計劃的完成，結(jié)合系統(tǒng)論、數(shù)學(xué)模型與計算方法，以“整體或系統(tǒng)”為概念研究的分子系統(tǒng)生物學(xué)快速發(fā)展[5]。2000年，EricKool重新定義“合成生物學(xué)”為：“基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳(基因)工程，即從基因片段、人工堿基DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑到細胞的人工設(shè)計與合成，類似于現(xiàn)代集成型建筑工程，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)、計算生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)一同構(gòu)成了系統(tǒng)生物學(xué)的方法基礎(chǔ)。”[5]隨后，研究人員合成了第一批基因調(diào)控裝置，如基因開關(guān)、感受器、傳感器和基因振蕩器等，標(biāo)志著合成生物學(xué)的正式誕生[1]。2000年，Gardner等[11]設(shè)計構(gòu)建了基因雙穩(wěn)態(tài)回路，誘導(dǎo)劑通過誘導(dǎo)A基因表達，可抑制B基因表達，而B基因表達則反過來抑制A基因表達。

　　2006年，該團隊又構(gòu)建了5′非翻譯區(qū)的核開關(guān)(riboswitch)作為感受器，以調(diào)控蛋白質(zhì)的翻譯[12]。2008年，Stricker等[13]利用單個大腸桿菌細胞內(nèi)可計時的熒光蛋白構(gòu)建了一個生物鐘，其閃爍速率會隨著溫度和能量源等環(huán)境條件的改變而改變，這為構(gòu)建可感知環(huán)境信息的傳感器奠定了基礎(chǔ)。2010年，Danino等[14]通過設(shè)計“群體感應(yīng)”(quorumsensing)基因培養(yǎng)出“同步感應(yīng)”大腸桿菌，并將其應(yīng)用于有關(guān)控制同步振蕩或傳播中，構(gòu)建了基因振蕩器(geneoscillator)。目前，已經(jīng)可以依據(jù)需求合成功能性基因回路，還可以合成原核生物(支原體基因組[15-16])和真核生物的基因組(酵母染色體[17])。

　　2合成生物學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用

　　在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，合成生物學(xué)主要是根據(jù)不同的疾病和致病機制，進行人工設(shè)計、構(gòu)建適宜的治療性基因回路，在載體的協(xié)助下植入人體，通過糾正機體有功能缺陷的回路，以實現(xiàn)治療疾病的目的。在這些基因回路中，無論是基于機體內(nèi)環(huán)境物質(zhì)的變化，還是外源的物理、化學(xué)和生物信號，旨在通過影響其特定的生物學(xué)過程以重建生命內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

　　3總結(jié)與展望

　　目前，在基礎(chǔ)研究方面，合成生物學(xué)已初步實現(xiàn)了對基因組(原核生物)和染色體(真核生物)的合成。通過對必需基因和非必需基因的篩選，可確定生命體最小基因組，以深入了解基因功能、深刻理解生命起源[150]。隨著對基因組信息解讀和基因調(diào)控功能認知的深入，從最簡單的生物元件合成，到功能性生物元件組裝，再到系統(tǒng)性基因網(wǎng)絡(luò)的整合均已取得實質(zhì)性進展。在醫(yī)學(xué)研究方面，根據(jù)合成生物學(xué)原理將設(shè)計合成的基因回路制備成工程細胞，利用特定的物理、化學(xué)或生物信號誘導(dǎo)、啟動工程細胞發(fā)揮功能，已在癌癥、糖尿病、高血壓、神經(jīng)退行性疾病和自身免疫性疾病等轉(zhuǎn)化研究中取得了一定進展。

　　隨著“感受器”“轉(zhuǎn)換器”“人造胰島β細胞”“人造外泌體”以及“藍牙遠程調(diào)控”等多學(xué)科研究和系統(tǒng)整合的不斷深入，合成生物學(xué)與基因工程、細胞工程、人工智能等多學(xué)科的交叉融合，為未來實現(xiàn)便捷快速的臨床智能診療一體化提供了全新的策略。相較于傳統(tǒng)藥物的疾病治療模式，基于合成生物學(xué)原理設(shè)計合成的生物元件、基因回路以及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，雖展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但仍然存在諸多應(yīng)用安全性等問題。以抗生素、藥物、食品添加劑或咖啡為基因開關(guān)設(shè)計合成的生物物質(zhì)裝置，因其需要口服或注射一定劑量才能“啟動”基因回路，這些生物物質(zhì)會因此進入生物體新陳代謝中，其本身的安全性、后期去除以及是否影響生物體其他功能尚不清晰。

　　以留蘭香熏為誘導(dǎo)劑的基因回路，雖然是利用呼吸系統(tǒng)進行基因回路的誘導(dǎo)，也存在細胞耐受、機體過敏等問題。此外，因生物體自身敏感性和耐受性差異，使這些外源物質(zhì)的攝入標(biāo)準難以統(tǒng)一。同時，也會因生物體的代謝差異造成量的累積，這些偶然、隨機變化而引起的機體反應(yīng)不可預(yù)估。溫控裝置，因目前發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用的溫度敏感型蛋白需在42ºC時方可激活，但此溫度會對細胞、組織造成損傷，這一弊端限制了溫控裝置的應(yīng)用。與生物物質(zhì)裝置和溫控裝置相比，光遺傳裝置的時空優(yōu)勢以及其可控性、低毒性等特征，使利用不同波長設(shè)計合成的光遺傳裝置越來越多，如近紅光、遠紅光等，以上光波雖解決了藍光穿透性、輻射性等缺陷，但仍需考慮其他光波在生物體內(nèi)的衰減性以及長時間照射下的皮膚灼傷、生物應(yīng)激反應(yīng)等問題。合成生物學(xué)的一個重要歷史使命是與系統(tǒng)生物學(xué)結(jié)合，從根本上解析生命現(xiàn)象及其運動規(guī)律[5]。

　　也正是因為對生命認知的局限性，限制了人們合理設(shè)計、構(gòu)建和驗證合成元件，甚至合成生命。隨著不同生物元件、裝置、系統(tǒng)的構(gòu)建和驗證實踐的積累，合成生物學(xué)數(shù)據(jù)迅速增加，對這些數(shù)據(jù)進行深入挖掘、精準解讀和系統(tǒng)整合，以形成對生命系統(tǒng)較全面的認知，是目前亟需解決的問題[2,151]。對原核細胞結(jié)構(gòu)元件和真核細胞及其分子元件模塊的深入研究依然是未來合成生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。

　　參考文獻

　　[1]郭曉強,黃衛(wèi)人,蔡志明.合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.科學(xué),2015,67(3):26-29

　　作者：張強，顧明亮*

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