穿越时空,与五位科学家共话合成生物学

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楼主 2019-05-14 14:30:17
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转载自公众号——再创丨Regenesis



编者的话·写在前面

前言:虽然题目中是穿越,但是我们穿越的时间并不是很长,我们将回到2014年,也就是3年前。3年似乎并不是很长的时间,但是对于合成生物学这门新兴的学科来说却是一段发展的黄金时期。在这几年里,合成生物学快速发展。2014年CRISPR-Cas9技术似乎刚刚开始在全球受到关注,而如今这项技术几乎已经成为一项每个分子实验室必备的技术,同时新型的基因编辑技术也在一个接一个的被开发出来。


在这几年里,合成生物学的设计能力不断增加,不仅仅是在复杂的基因电路方面,在基因组层面,我们也有了长足的进步和鼓舞人心的进展,如Craig Venter的Synthia 3.0,酵母基因组计划Sc2.0,人类基因组合成计划—HGP Write;合成生物学的应用也在不断的增加,基因编辑,天然产物,癌症疗法,器官移植......


但是把一篇旧闻翻出来有什么用呢?首先这篇文章中的访谈人物是在合成生物学领域做出过突出贡献的顶尖科学家。同时我认为即使过去了3年,在这篇报道中5位科学家所提到的合成生物学所面临的机遇与挑战仍然对我们有指导意义。这也算是品味经典吧。希望通过这篇文章可以让大家了解到这个领域顶尖的科学家的正在思考什么,也希望各位能够进一步了解合成生物学。

(文末有5位科学家的简要介绍)


作者 | 孟凡康

编辑团队 | 罗训训   孟凡康   孙智   张益豪

本文首发于知乎专栏 @ 「札记·合成生物学」


尽管还在襁褓中成长,合成生物学正在为生物医疗、生物技术和基础分子研究持续注入源源不断的动力。从细胞生物学家到工程师,这个综合性的研究团体正在探索着合成生物学的巨大潜力,同时他们也在应对着合成生物学所带来的种种挑战。2014年,Nature出版社对合成生物学领域5位顶尖科学家进行了一次访谈,在这次访谈中,五位科学家就合成生物学的未来,合成生物学在基础和应用科学的主要成就,以及合成生物学带来的生物伦理问题分享了他们的观点和见解。



   01
合成生物学的发展与学科之间的关联

问:现在越来越多的的出版物和研究机构正在关注合成生物学。从最初关注合成基因电路的设计开始,该领域是如何进一步发展的?今天我们所谈的合成生物学与其他的学科有什么关系呢?比如系统生物学和数学建模。




Ron Weiss. 简单合成基因电路设计如双稳态开关、震荡器和人造细胞通讯系统在细菌中的成功代表着合成生物学的正式创立。通过使用非转录调控逻辑包括microRNAs,蛋白质磷酸化和DNA编辑技术,合成生物学的关注点已经从小型转录调控网络转向了更加复杂的多细胞系统诸如酵母、哺乳动物细胞和植物。详细、精确的刻画与可预测的元件设计已经成为构建具有复杂多信号输入逻辑功能、复合多态基因电路的关键。这使得细胞传感器(Sensor)和执行器(Actuator)的能力得以提高,多样性也有所增加。

双稳态开关(Genetic Toggle Switch)、震荡器(Genetic Repressilator)和人造细胞通讯系统(Cell-cell Communication Circuits)

我认为,合成生物学和系统生物学是一种互补的关系:前者基于正向工程学,而后者基于反向工程学。系统生物学对自然过程的研究成果可以提高合成生物学对生物系统的设计能力,同时合成生物学创建的小型人工网络有助于检验系统生物学对自然系统提出的假设。计算机建模工具则成为人工调控网络设计中的必要条件,同时它也在多种生物学领域发挥着重要的作用。

最后,合成生物学研究人员对生物系统复杂性的认识也在逐渐提高。生物本身的复杂性让我们认识到我们需要跨学科交叉性研究、新的基因电路设计原理以及程序设计范式来克服合成生物学所遇到的问题和瓶颈,例如代谢负荷(metabolic load),干扰(crosstalk),资源分配(resource sharing)和基因表达噪声(gene expression noise)。

George M. Church. 在我的观点中,合成生物学从来没有完全专注在遗传电路设计上,而是专注在让生物快速成熟为工程学科的领域,包括计算机辅助设计,安全系统构建,整合模型,基因组编辑和生物进化。合成生物学不完全像高度模块化(或“开关式”)的电气工程和计算机科学,其更像是土木工程和机械工程。

计算机辅助设计 Computer-Aided-Design

Michael B. Elowitz. 通常来说,合成生物学将生物学从现有物种和细胞系统的空间扩展到更大的非自然但可行的物种和系统空间。虽然一开始我们通过基因电路来实现一些最简单的动态行为,但是目前合成生物学研究方法已广泛的应用到从代谢到多细胞发育等各种各样的生物领域中。合成生物学使得我们能够清楚的知晓何种类型的基因电路设计能够实现何种的细胞行为。通过在活细胞中构建和测试这些基因电路,我们也逐渐明白了不同设计之间的优劣。

这样一来,除了传统的反向工程学的手段,我们还可以利用正向工程学的方法来实现“Building to Understand It”。除了许多重要的直接应用之外,我认为正是对于生物系统思考和研究方式的转变,大大的激发了更多人的想象力,进而促进了合成生物学领域的快速发展。

处于合成生物学核心的基础性问题很大程度上与系统生物学是相互重叠的,因为两个领域都在致力于理解基因电路的设计原理 。而且我预计这些领域将会相互交叉影响,并越来越难以在未来分别开来。

Christina D. Smolke. 合成生物学和系统生物学都与其发展而来的领域在方法上都发生了根本性转变。相比于传统的基因工程研究,合成生物学在设计、构造和刻画生物系统方面更加强调工程学原理和方法学。而相对于在传统生物研究中的还原论方法,系统生物学则是在研究整体系统组成的方面发生了根本性转变。计算机建模在两个领域都是重要的工具,但是在两个领域的应用有所不同。在系统生物学中,计算模型用于预测系统的行为,而在合成生物学中,建模则用于指导人工系统的设计。

合成生物学已经从最初的相当狭窄的关注点中大大扩展开来。研究人员更加充分地认识到了天然生物系统中机制的多样性,同时也在充分利用着天然系统的多样性。例如,绝大多数早期的工作集中在基于转录因子的调控网络设计上,以展现人工系统的动态行为(像震荡子和双稳态开关),然而现在的设计一般都会包含其它层次的调控设计,包括基于RNA的调控子,翻译后调控修饰和分子支架等等。

另一个例子,突变和进化之前被广泛认为是系统性能的一个阻碍,需要将其影响降到最低。然而目前最新的研究正在探索生物系统这个独特的性质,利用生物的进化和适应性质进行设计。

合成生物学基因线路或者装置的设计原则

Christopher A. Voigt. 这个领域早期的一些目标都围绕在创造可执行一系列程序化任务的细胞展开。例如,Adam Arkin设想了一种可以在人体内识别微环境并执行治疗功能的工程菌。想要做到这一点,需要控制相关的基因在特定时间特定环境状态下开启,这需要合成生物学的调控方式,也就是说,通过基因电路来调控。这也一直是传统基因工程领域难以解决的问题之一。

合成生物学是一个工程学科,在这个领域研究人员渴望去创造一些自然界中不存在的东西。而系统生物学是一个基础学科,它的目标是更好的理解自然的生物学。这种关系类似于生物工程和生物学,或化学工程和化学。学科之间的“语言”可能是类似的,但是彼此的动机却是不同的。例如,合成生物学和系统生物学都对模块化非常感兴趣。对于自然的细胞,基因和调控网络可能是模块化的,也有可能不是模块化的,这取决于你如何定性这个问题。相比之下,工程师则更加热衷于创造具有更高模块化程度的合成基因电路。

数学模型是一种工具,它能够进行定量的预测或者对数据进行诠释。数学建模对两个领域都非常有用,就像其他的工具如测定蛋白水平的质谱或者将DNA导入的细胞的转化方法一样在很多领域都有应用。

系统生物学 & 合成生物学面临的挑战和协同关系





   02
合成生物学的成就与挑战

问:在基础研究中目前合成生物学的主要成就有哪些?这个领域正在面临这哪些挑战?




R.W. 在过去的十年里,合成生物已经帮助生物科学转变为一门真正的工程学科。显著的成就包括创造了可组合的基因元件库,具有革命性进展的基因合成技术和更快更高效的模块化DNA组装方法。通过将快速发展的生物技术和计算机建模结合起来,合成生物学家现在可以以一种可预测的方式(至少在一定程度上可以这么讲)自上而下对生物系统进行设计和工程化改造。

然而,合成生物学真正缺少的,就我的实验室目前正在关注的哺乳动物合成生物学来说,是现实世界中的实际应用。我们必须做出努力将合成生物学研究从“玩弄玩具”转变成让整个社会能够从中受益的实际应用,比如癌症治疗,病毒疫苗和改造的生物组织。值得注意的是,现在主要的挑战是如何将合成的基因电路安全的递送到哺乳动物体内。我认为基于RNA的递送方法的发展将会改变游戏规则:它将会克服政府监管的限制,同时满足传统基因疗法所要求的安全保障。

G.M.C. 除了一些应用,合成生物学的成果包括指数程度发展的基因组测序技术,芯片合成DNA文库技术,多重自动化基因组工程技术(Multiplex automated genome engineering, MAGE)(主要在大肠杆菌中)和几乎能在任何基因组中进行编辑的CRISPR-Cas9技术。

多重自动化基因组工程技术(Multiplex automated genome engineering, MAGE)

随着基因组“读”与“写”技术的不断进步,新的挑战在于新功能的系统设计和筛选,以及高效的复制和生产能力。此外的挑战还包括如何预测,模拟和改进高度多样化或个性化的技术及探索其对复杂的生理和生态系统的影响。

M.B.E. 我们在这个领域已经走过很长的一段路了:我们已经构建好几代版本的震荡子和基因开关。它们具有多样的细胞成分和调节机制,并且能够和内源的基因电路相互作用。

复杂的代谢通路被改造用来生产有用的产品,信号通路以可预测的方式被重新设计改变其动态行为。然而,由于技术的挑战和我们对于生物基因电路设计理解的不足,合成生物学仍然处于极其原始的状态。

在技术方面,合成基因电路并将它们导入到细胞内的过程仍然十分缓慢并且问题颇多,尤其是在哺乳细胞中,然而,一些新的技术,例如基于CRISPR的基因编辑系统,是极其鼓舞人心的。

CRISPR/cas9基因编辑系统

在基础研究方面,我们对基因电路如何在细胞和组织中有效的发挥作用所知甚少,我们仍然需要从自然界了解更多。具体而言,最大的挑战之一就是将合成生物学在单个微生物中作用的基因电路转移到多细胞系统中。例如,能够实现细胞自我模式化的基因电路。如果能够成功的话,我们就可能从一个全新的角度理解多细胞生物的发育过程,这可以为组织改造和再生提供有用的信息。

C.D.S. 合成生物学对于基础研究重要的影响之一是其驱动了多种方法的进步,以支持大规模遗传编码程序和基因组规模的工程化改造,包括DNA合成。其他的进展包括阐明了支持理性设计和精确基因调控与酶促活动的框架,同时我们还在推动定量标准化和数据报告标准化方面做出了初期的努力。

这个领域一个很大的挑战是开发高通量、无破坏性的量化技术,以便能够对无法通过荧光蛋白信号测定的生命活动进行定量。虽然这个领域正在转向多样性的设计思路,但是至今在开发刻画多样性基因电路的技术方面我们仍然投入不足。正因如此,我们无法从当前的设计方法中有所收获,这限制了我们向更加“更智能设计”方法的转变(与“更多设计”的方法相比)。

C.A.V. 合成生物学领域近期多项进展革命性的改变了工程化改造细胞的方式。DNA合成和组装技术使得研究人员可以对上百万碱基的任意一个碱基进行操控。我2003年做博士后时还没有这个能力。但我们利用这样的能力来做什么也是一个不小的挑战。同时我们在基因组工程化改造和DNA转化进入细胞等技术方面也有了很大的进步,包括George Church开发的MAGE技术,Craig Venter构建的人造基因组,基于CRISPR方法的基因组编辑技术等。

设计方法也有了进一步的发展。许多实验室一直在重新思考遗传系统的设计,以便能够建立关联更多元件、复杂度更高的系统。许多实验室,包括美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的BIOFAB,已经构建了大量刻画好的基因元件,并且这些元件可以整合进这些复杂的设计之中。

基因电路的设计能力也得到了提高。我们已经构建了转录因子的大型文库,并且将他们转换为了逻辑门基因电路。同时我们也更加理解了如何让他们彼此绝缘从而他们能够更好的组成更大更复杂的基因电路。CRISPR干扰技术(CRISPRi)为我们提供了关闭基因表达的新思路,同时其系统本身的正交性使得更多的调控元件可以应用到同一个细胞中。

就实际应用而言,市场上很多产品都是由基因改造的细胞生产的。来自美国Biodesic公司的Rob Carlson估测这个市场每年会有3500亿美元的增长,大约占美国经济的2%。合成生物学无论是对现在还是下一代产品的贡献是非常大的。大公司中的一些值得注意的例子包括美国Dow AgroSciences的杀虫剂(例如spinosyn),美国的Amyris和法国的Sanofi的抗疟青蒿素。 小公司也在开发产品,例如,美国的Genomatica公司生产丁二醇(BDO)和美国的Refactored Materials生产重组蜘蛛丝。其实有很多例子,我在这里只是强调了一些。

合成生物学的发展驱动了生物产业平台的建立

在应用层次一个主要的挑战是利用细胞创造更加复杂的功能材料。细胞是天然的原子结构,现在很多正在使用的材料均源自生物本身。上面提到的例子相对来说都是简单的化学物质,天然产物或者单一的蛋白质。如果想要获得更加复杂的产品则需要合成更加复杂的基因电路,同时需要对很多,甚至成百上千个的基因进行操控。


   03
合成生物学的优势与未来

问:合成生物学的一些应用引领了临床医疗、药物与生物燃油相关的生物技术的发展。合成生物学方法的优势有哪些?你们是如何看待这些应用的未来的?



R.W. 显然合成生物学已经革命性的改变了代谢工程领域,这使得生产药物或者小分子成为可能。尽管在这个领域近期有了很大的进展,但是,我之前也说过,其实至今只有很少的应用最终实现,特别是对于哺乳动物合成生物学领域。

然而,这其中的原因可能在于这个领域如此之新。我认为哺乳动物合成生物学未来将会在两个领域有着广阔的应用前景。

第一个领域是利用众多近期开发的基因组工程工具创造下一代编程化的哺乳动物细胞系,以产生更加量身定制的先进生物制剂。哺乳动物合成生物学界和生物医药工业的紧密合作会让这个领域极大的受益。

第二个领域是创建能够匹配生物系统复杂度的基因电路疗法。系统生物学正在帮助我们揭秘生物网络之间的调控方式和相互作用关系,从而破译生物体的复杂性。不过这也教导我们:像癌症、代谢疾病、免疫疾病、神经疾病或者心理紊乱这些生物疾病本身是相关深奥和复杂的。我认为复杂的疾病最好是利用复杂的合成基因电路调节身体来达到最好的治疗。随着研究步伐的加速,哺乳动物合成生物学很快就会有标志性的应用从而赢得大众的支持和信任。

G.M.C. 具体的应用实例包括Amyris和Sanofi对抗疟药青蒿素的高效生物生产、美国LS9和Joule Unlimited对石油的“绿色化学”替代方案。未来,我们将看到越来越多的合成生物学用于医疗:从随机转基因插入转向精准基因组编辑; 从抗生素地毯轰炸到肠道微生物疗法; 生物纳米材料能够实现原子级别的精确度,比当前电子电路处理信息的能力高出一百万倍以上。

M.B.E. 所有这些领域的工作是极其令人兴奋的。尽管我们已经成功利用工程化改造的微生物来生产重要的产品,但是这些平台都是在严格控制的实验室条件下设计的。一个关键的挑战是弄清楚如何使工程化改造细胞能够在复杂的自然环境中发挥作用,包括人类的身体内。我们需要掌握设计多基因基因电路的能力,将它们精确的整合进细胞内部,并且能够定量的控制它们的行为。目前,进展过程仍然乏味缓慢,并且这极大地限制了我们可探索的想法和设计方案。

话虽如此,我认为很多问题其实都是可以解决的。想象一下,当研究人员可以常规的读取和控制细胞中多层相互作用的基因和蛋白质系统时将会发生什么——这将显著的改变基因工程领域的现状,将常规基因工程的单位从基因改变为基因电路!

C.D.S. 合成生物学正在为临床疗法和生物技术带来新的工具和方法。合成生物学不仅在推进生物合成过程的复杂度,同时也在提高通过生物过程生产的分子的多样性。利用生物自身强大的生产能力在未来将会是一个巨大的机遇,这将为我们带来更加复杂的生物产品。

我们还可以通过以一个动态的、局域性的方式控制患者治疗过程中药物的输送和剂量来开发更加安全和高效的临床疗法。目前的努力集中在基于细胞的平台包括免疫疗法和益生菌。随着技术的不断进步,合成生物学在临床上的长期应用还将延伸到组织工程和再生医学领域。

C.A.V. 在短期内,合成生物学开发的工具可以直接被用来开发天然产物,包括生物医药,人类增强药物,工业化学产品,能源和农业产品(例如,杀虫剂和农药)。

利用自然多样性的潜力是巨大的。自然的多样性存在于大量的菌种和DNA序列数据库中。我们现在可以很容易获得生物的DNA信息。生物信息学可以预测能够用来生产高附加值化学物质的基因簇。DNA合成技术使得序列信息能够转换为物理DNA,然而,在生物中这些合成的DNA往往容易丢失或者不能够被操控或者基因本身在生物体内就是被沉默掉的。克服这些困难需要合成生物学开发相应的调控工具。 我们正处于挖掘数据库以开发有价值产品这种淘金热的早期阶段。

同时对酶的深度探索(数据库基因的高通量搜寻、打印和筛选)也是很重要的,这使得可生产的化学物质呈现多样性。这将带领我们实现这样的梦想:酶催化就像化学合成一样灵活多变,可以催化合成任意化学结构。同时细胞疗法将会拥有巨大的优势:其不仅具有感应和处理信号的能力并且能够在目标靶点合成多种化学和蛋白效应因子。




   04
合成生物学的伦理与监管

问:技术的进步使得“书写”整个基因组成为可能。然而,创造人造生命形式的可能性已经引起公众广泛的担忧。合成生物学领域面临着什么样的挑战,哪些是必须解决的伦理和监管问题?




R.W. 创造一个新的生命形式是很有趣的——并且我认为这最终是有可能的。然而,大多数合成生物学项目都是在细菌,酵母或哺乳动物细胞添加新的功能,因为这对生物技术工业有很大用处。

我们试图通过正向基因工程来提高标准化的,刻画优良的细胞系的多样性和应用价值。在哺乳动物合成生物学中,生物治疗方案将需要在任何监管批准之前保证安全性,同时病毒载体能够有效的将DNA基因电路递送到目标靶点。我们已经看到一个有前景的结果:RNA基因电路可以作为一个安全的替代方案。此外,相比于用于药物开发和诊断的动物模型,可编程的“organs-on-a-chip”可以提供一个更接近人类实际情况的替代方案。

像其他负责任的科学领域一样,合成生物学有一种根深蒂固的文化:我们一直在预测、避免和降低技术带来的风险。

G.M.C. 合成生物学现在面临的问题可以追溯到DNA重组技术的开始阶段,那时候Paul Berg和Rudy Jaenisch在1973年将SV40肿瘤病毒插入到了细菌和小鼠中。几十年来,分子生物学家在复杂的生物系统中用基础的技术研究单个基因。现在合成生物学则将系统设计和工程安全性引入生物学中。

我们可以最终构建基因组重编程的生物,这些生物无法与自然的基因组相互交流。另一方面,用来控制害虫、疾病或者入侵生物的基因也无法与天然的基因组产生关系。

M.B.E. 我们对于合成生物学技术将会带来什么和不会带来什么了解的还有远远不够。我尤其担心公众对于合成生物学的误导,同时这种误导可能会随着炒作而逐渐增加。斯洛恩基金会和美国国家科学院等已经作出了巨大的努力来改善和大众之间的信息鸿沟。我们科学家必须一起行动来“Keep it real”,以现实为基础,将关注点放在最关键的风险上,让更大的团体参与进来,利用好我们现今拥有的每一项资源为合成生物学的发展做出努力。

C.D.S. 通过DNA合成技术创造遗传系统的进展已经远远超过了设计这些系统的进展。尽管我们能够构建合成的基因组,但是我们还远远没有达到设计新的基因组水平基因程序的能力,更不用提合成全新的生命。

然而,在道德和监管层面对工程化改造的生物的担心仍然是需要的。道德和管理层面的担心取决于合成生物学潜在的应用。例如,如果生物被用在实验外的环境中,那么我们就应该考虑其对于环境和生态系统的潜在影响。

C.A.V. 这个领域需要用不同的方法来进行风险分类以及产品管理。例如,目前FDA和USDA的管理结构并不利于有效评估高度工程化的生物对人体或者相关医疗领域的影响。

这个领域正在采取积极的方法来解决这些问题。这方面的讨论和研究一直很积极。

(结束)


访谈中5位科学家的简要介绍:

George M. Church (G.M.C.)

  • 哈佛大学遗传学教授, 美国国立卫生研究院(NIH)基因科学卓越中心负责人,美国国家科学院和美国国家工程院院士,http://PersonalGenomes.org网站(世界上唯一的开放式人类基因组和特征数据库)的负责人,共发表论文300余篇,专利60余项,出版过图书一本:《Regenesis》。他的博士学位(1984年授予)所使用的方法推动了1994年的第一个微生物基因组测序的完成。他在“下一代”测序,寡核苷酸合成和细胞工程等方面的工作促进了医疗诊断,生物医疗和合成化学品的发展,同时他也在推动人类隐私,生物安全等相关政策中做出贡献。

Michael B. Elowitz (M.B.E.)

  • 美国帕萨迪纳加利福尼亚理工学院(Caltech)霍华德·休斯医学研究所和生物学,生物工程和应用物理学教授的研究员。他创建了一个经典的振荡基因电路Repressilator,并展示了如何在单个细胞中分析基因表达“噪音”及其功能。他的实验室利用合成生物学,定量延时影像和数学建模来理解细胞和组织中基因电路的设计原理,研究范围包括从细菌到哺乳动物细胞等多种系统。他是麦克阿瑟奖及人类前沿科学计划(HFSP)中曾根奖的获得者。

Christina D. Smolke (C.D.S.)

  • 美国加州斯坦福大学生物工程系副教授,教育副主席和William M. Keck基金会学者。她的研究开发了基础工具,推动了我们工程化改造和设计生物的能力的进步。例如,她的团队领导开发了一种新型的生物输入/输出(I / O)设备,从而从根本上改变了我们与生物进行交互和编程的方式。 她的团队使用这些工具来推动细胞疗法,天然产物生物合成和药物发现等不同领域的变革。她是十多项专利的发明人,她的研究计划已获得多项殊荣,其中包括美国国立卫生研究院(NIH)主任的先锋奖,世界技术网络(WTN)生物技术奖和TR35奖

Christopher A. Voigt (C.A.V)

  • 自2010年起一直担任美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT)生物工程系的教授,在那里他是合成生物学中心的共同负责人并成立了MIT-Broad Foundry。他担任美国化学学会期刊ACS Synthetic Biology的主编。 在麻省理工之前,他在美国旧金山加利福尼亚大学药物化学系任教。

Ron Weiss (R.W.)

  • 美国麻省理工学院(MIT)生物工程系和电气工程与计算机科学系的教授。他创立并担任麻省理工学院合成生物学中心主任。 他于2001年获得麻省理工学院博士学位,并于2001年至2009年在美国新泽西州普林斯顿大学任教。他的研究帮助开拓了合成生物学领域,通过计算设计,构建并实验测试了能够进行数字逻辑,模拟控制和细胞间通信等几个基础合成基因电路。最近,Weiss实验室还专注于哺乳动物合成生物学,重点是治疗应用领域,包括组织工程,糖尿病和癌症治疗。





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