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(guò)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(duì)細(xì)胞進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，以實(shí)現(xiàn)細(xì)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(jì)合成治療性的基因回路，制備工程化細(xì)胞植入體內(nèi)，糾正機(jī)體已發(fā)生缺陷的生物調(diào)控元件，以達(dá)到治療疾病的目的。本文對(duì)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(jìn)展進(jìn)行了綜述。

　　關(guān)鍵詞：合成生物學(xué);基因工程;細(xì)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(mén)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(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑是運(yùn)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(jì)、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過(guò)程，以構(gòu)建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)以及人造細(xì)胞或生物體。合成生物學(xué)發(fā)展早期設(shè)計(jì)和構(gòu)建的生物元件，主要應(yīng)用于原核生物或簡(jiǎn)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(xì)胞的生物元件也被設(shè)計(jì)并成功合成[1]。由于分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基因療法和細(xì)胞療法為疾病治療提供了一種全新模式。

　　細(xì)胞療法是通過(guò)體外細(xì)胞移植，以實(shí)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�?xì)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(xì)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(xì)胞植入生物體內(nèi)以實(shí)現(xiàn)治療疾病的目的，是臨床治療手段的重大變革。同時(shí)，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(shí)空范圍內(nèi)，通過(guò)影響機(jī)體的特定生物學(xué)過(guò)程而重建生命內(nèi)穩(wěn)態(tài)，以達(dá)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(duì)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(jìn)展進(jìn)行了綜述。

　　生物學(xué)評(píng)職知識(shí)：生物學(xué)論文投稿的sci期刊

　　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(guó)物理化學(xué)家StephaneLeduc于1911年在其所著的《生命的機(jī)理》(TheMechanismofLife)一書(shū)中首次提出，在該書(shū)中其試圖利用物理學(xué)理論解釋生物起源和進(jìn)化規(guī)律，認(rèn)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(duì)形狀和結(jié)構(gòu)的合成”[4]。雖然，當(dāng)時(shí)化學(xué)已經(jīng)發(fā)展到合成有機(jī)化學(xué)的階段(1828年，人工合成第一個(gè)天然有機(jī)物——尿素[4])，但對(duì)生物大分子的化學(xué)本質(zhì)尚未完全理解，同時(shí)受限于對(duì)生物體和生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律的全面認(rèn)識(shí)，“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(shí)際上，自20世紀(jì)中期才開(kāi)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(guó)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(jì)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(xì)胞生物學(xué)緊密結(jié)合，開(kāi)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(shí)代。直到1970年，由于限制性?xún)?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(jìn)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(xì)菌病毒的DNA拼接到猴子病毒SV40.1中，創(chuàng)建了第一個(gè)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(jìn)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(lái)，我們都在做分子生物學(xué)描述性的工作，但當(dāng)我們進(jìn)入合成生物學(xué)的階段，真正的挑戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始。我們可以設(shè)計(jì)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(gè)全新的基因組。這將是一個(gè)擁有無(wú)限潛力的領(lǐng)域，我們幾乎可以不受任何限制地去做一個(gè)更好的調(diào)控回路。最終，將會(huì)有新的合成有機(jī)生命體的出現(xiàn)”[3-5]。1979年，美國(guó)化學(xué)家HarGobindKhorana合成了含有207個(gè)堿基對(duì)的DNA序列[9]，從此開(kāi)啟了合成生物學(xué)時(shí)代。1980年，BarbaraHobom開(kāi)始使用“合成生物學(xué)”這一概念來(lái)表述基因重組技術(shù)[5,10]。

　　進(jìn)入20世紀(jì)80年代，由于分子克隆技術(shù)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?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(shí)，雙脫氧法DNA測(cè)序技術(shù)的誕生及測(cè)序技術(shù)的不斷進(jìn)步，為人類(lèi)基因組計(jì)劃(humangenomeproject,HGP)的實(shí)施提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。二十世紀(jì)九十年代，高通量測(cè)序(第二代測(cè)序技術(shù))的出現(xiàn)和信息技術(shù)的引入，使基因組測(cè)序的數(shù)據(jù)呈海量增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[5]。之后，人類(lèi)基因組計(jì)劃和一系列生命“組學(xué)”計(jì)劃的啟動(dòng)與完成，描繪了生物體及其生命運(yùn)動(dòng)的“藍(lán)圖”;同時(shí)，隨著生物信息學(xué)、計(jì)算生物學(xué)等一些新興交叉學(xué)科的發(fā)展，標(biāo)志著對(duì)生命的研究進(jìn)入了基因組時(shí)代，也為合成生物學(xué)的發(fā)展奠定了實(shí)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(lèi)基因組計(jì)劃的完成，結(jié)合系統(tǒng)論、數(shù)學(xué)模型與計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，類(lèi)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(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)、計(jì)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(kāi)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(jì)構(gòu)建了基因雙穩(wěn)態(tài)回路，誘導(dǎo)劑通過(guò)誘導(dǎo)A基因表達(dá)，可抑制B基因表達(dá)，而B(niǎo)基因表達(dá)則反過(guò)來(lái)抑制A基因表達(dá)。

　　2006年，該團(tuán)隊(duì)又構(gòu)建了5′非翻譯區(qū)的核開(kāi)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(gè)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)可計(jì)時(shí)的熒光蛋白構(gòu)建了一個(gè)生物鐘，其閃爍速率會(huì)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(guò)設(shè)計(jì)“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(jī)制，進(jìn)行人工設(shè)計(jì)、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(guò)糾正機(jī)體有功能缺陷的回路，以實(shí)現(xiàn)治療疾病的目的。在這些基因回路中，無(wú)論是基于機(jī)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(hào)，旨在通過(guò)影響其特定的生物學(xué)過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)基因組(原核生物)和染色體(真核生物)的合成。通過(guò)對(duì)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(duì)基因組信息解讀和基因調(diào)控功能認(rèn)知的深入，從最簡(jiǎn)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(shí)質(zhì)性進(jìn)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(jì)合成的基因回路制備成工程細(xì)胞，利用特定的物理、化學(xué)或生物信號(hào)誘導(dǎo)、啟動(dòng)工程細(xì)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(jìn)展。

　　隨著“感受器”“轉(zhuǎn)換器”“人造胰島β細(xì)胞”“人造外泌體”以及“藍(lán)牙遠(yuǎn)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(xì)胞工程、人工智能等多學(xué)科的交叉融合，為未來(lái)實(shí)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(jì)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(shì)，但仍然存在諸多應(yīng)用安全性等問(wèn)題。以抗生素、藥物、食品添加劑或咖啡為基因開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)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(dòng)”基因回路，這些生物物質(zhì)會(huì)因此進(jìn)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(jìn)行基因回路的誘導(dǎo)，也存在細(xì)胞耐受、機(jī)體過(guò)敏等問(wèn)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(zhǔn)難以統(tǒng)一。同時(shí)，也會(huì)因生物體的代謝差異造成量的累積，這些偶然、隨機(jī)變化而引起的機(jī)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(shí)方可激活，但此溫度會(huì)對(duì)細(xì)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(shí)空優(yōu)勢(shì)以及其可控性、低毒性等特征，使利用不同波長(zhǎng)設(shè)計(jì)合成的光遺傳裝置越來(lái)越多，如近紅光、遠(yuǎn)紅光等，以上光波雖解決了藍(lán)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(zhǎng)時(shí)間照射下的皮膚灼傷、生物應(yīng)激反應(yīng)等問(wèn)題。合成生物學(xué)的一個(gè)重要?dú)v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(yùn)動(dòng)規(guī)律[5]。

　　也正是因?yàn)閷?duì)生命認(rèn)知的局限性，限制了人們合理設(shè)計(jì)、構(gòu)建和驗(yàn)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(yàn)證實(shí)踐的積累，合成生物學(xué)數(shù)據(jù)迅速增加，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘、精準(zhǔn)解讀和系統(tǒng)整合，以形成對(duì)生命系統(tǒng)較全面的認(rèn)知，是目前亟需解決的問(wèn)題[2,151]。對(duì)原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)元件和真核細(xì)胞及其分子元件模塊的深入研究依然是未來(lái)合成生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]郭曉強(qiáng),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(qiáng)，顧明亮*

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