合成生物学的医学应用

　　摘要：合成生物学旨在基于工程学原理，通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造，以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中，合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路，制备工程化细胞植入体内，纠正机体已发生缺陷的生物调控元件，以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。

　　关键词：合成生物学;基因工程;细胞疗法;基因回路;生物传感器;光遗传装置;温控装置;生物物质调控

　　合成生物学(syntheticbiology)是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。合成生物学发展早期设计和构建的生物元件，主要应用于原核生物或简单真核生物，如酵母等[1]。随着基因组信息和分子克隆技术的不断发展与完善，许多真核细胞的生物元件也被设计并成功合成[1]。由于分子生物学和细胞生物学技术的进步，基因疗法和细胞疗法为疾病治疗提供了一种全新模式。

　　细胞疗法是通过体外细胞移植，以实现治疗疾病的目的[2]。基因治疗则是将外源正常基因导入靶细胞，以纠正因基因缺陷引起的疾病[3]。合成生物学融合了基因疗法和细胞疗法，将转染了具有治疗功能的人工合成基因回路(genecircuit)的工程化细胞植入生物体内以实现治疗疾病的目的，是临床治疗手段的重大变革。同时，与传统治疗方式(如药物治疗、放射治疗以及手术治疗等)相比，合成生物学可在更大的时空范围内，通过影响机体的特定生物学过程而重建生命内稳态，以达到治疗疾病的目的，更是一种医学模式和治疗理念的转变。本文对合成生物的起源、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。

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　　1合成生物学概述

　　1.1合成生物学兴起

　　“Syntheticbiology”一词最早由法国物理化学家StephaneLeduc于1911年在其所著的《生命的机理》(TheMechanismofLife)一书中首次提出，在该书中其试图利用物理学理论解释生物起源和进化规律，认为“构成生物体的是其形态”，并归纳为“合成生物学是对形状和结构的合成”[4]。虽然，当时化学已经发展到合成有机化学的阶段(1828年，人工合成第一个天然有机物——尿素[4])，但对生物大分子的化学本质尚未完全理解，同时受限于对生物体和生命运动规律的全面认识，“合成生物学”一词基本为一种“形态上的模拟”，且缺乏基本的科学依据[4]。实际上，自20世纪中期才开始建立合成生物学的理论和技术基础。1953年，詹姆斯·杜威·沃森(JamesDeweyWatson)和弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)发现了DNA双螺旋结构[4];1958年，克里克提出遗传的“中心法则”，阐明了遗传信息构成和传递的规律，为合成生物学提供了基本原则[1,5]。

　　1961年，法国科学家莫诺德(Monod)和雅各布(Jacob)提出乳糖操纵子模型，阐述了基因调控的基本规律[6]。1966年，遗传密码的解析完成，为基因工程的出现和合成生物学的诞生提供了理论基础[1]。自20世纪50年代到60年代，这些科学发现使遗传学与生物化学和细胞生物学紧密结合，开启了生物分子结构与功能相联系的分子生物学时代。直到1970年，由于限制性内切酶的发现(DNA特异性剪切的重要工具，同年逆转录酶也被发现)，以及已成功鉴定的DNA聚合酶和DNA连接酶，使体外进行DNA操作成为可能[6]。在此基础上，1972年生物化学家PaulBerg将细菌病毒的DNA拼接到猴子病毒SV40.1中，创建了第一个重组DNA分子[7]。1973年，Cohen等[8]首次将DNA片段与质粒连接，并转化到大肠杆菌(Escherichiacoli)，这标志着基因工程技术的诞生。

　　基于上述研究进展，1974年波兰遗传学家WaclawSzybalski阐述了合成生物学的新内涵：“一直以来，我们都在做分子生物学描述性的工作，但当我们进入合成生物学的阶段，真正的挑战才刚刚开始。我们可以设计新的调控元件，并将新的分子加入已有的基因组内，甚至建构一个全新的基因组。这将是一个拥有无限潜力的领域，我们几乎可以不受任何限制地去做一个更好的调控回路。最终，将会有新的合成有机生命体的出现”[3-5]。1979年，美国化学家HarGobindKhorana合成了含有207个碱基对的DNA序列[9]，从此开启了合成生物学时代。1980年，BarbaraHobom开始使用“合成生物学”这一概念来表述基因重组技术[5,10]。

　　进入20世纪80年代，由于分子克隆技术和聚合酶链式反应技术(polymerasechainreaction,PCR)的快速发展，使基因合成技术逐渐完善。与此同时，双脱氧法DNA测序技术的诞生及测序技术的不断进步，为人类基因组计划(humangenomeproject,HGP)的实施提供了物质基础[1]。二十世纪九十年代，高通量测序(第二代测序技术)的出现和信息技术的引入，使基因组测序的数据呈海量增长的态势[5]。之后，人类基因组计划和一系列生命“组学”计划的启动与完成，描绘了生物体及其生命运动的“蓝图”;同时，随着生物信息学、计算生物学等一些新兴交叉学科的发展，标志着对生命的研究进入了基因组时代，也为合成生物学的发展奠定了实质性的、全面的物质基础[4]。

　　由于在基因组学研究领域的巨大成功，尤其是人类基因组计划的完成，结合系统论、数学模型与计算方法，以“整体或系统”为概念研究的分子系统生物学快速发展[5]。2000年，EricKool重新定义“合成生物学”为：“基于系统生物学的遗传(基因)工程，即从基因片段、人工碱基DNA分子、基因调控网络与信号转导途径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成了系统生物学的方法基础。”[5]随后，研究人员合成了第一批基因调控装置，如基因开关、感受器、传感器和基因振荡器等，标志着合成生物学的正式诞生[1]。2000年，Gardner等[11]设计构建了基因双稳态回路，诱导剂通过诱导A基因表达，可抑制B基因表达，而B基因表达则反过来抑制A基因表达。

　　2006年，该团队又构建了5′非翻译区的核开关(riboswitch)作为感受器，以调控蛋白质的翻译[12]。2008年，Stricker等[13]利用单个大肠杆菌细胞内可计时的荧光蛋白构建了一个生物钟，其闪烁速率会随着温度和能量源等环境条件的改变而改变，这为构建可感知环境信息的传感器奠定了基础。2010年，Danino等[14]通过设计“群体感应”(quorumsensing)基因培养出“同步感应”大肠杆菌，并将其应用于有关控制同步振荡或传播中，构建了基因振荡器(geneoscillator)。目前，已经可以依据需求合成功能性基因回路，还可以合成原核生物(支原体基因组[15-16])和真核生物的基因组(酵母染色体[17])。

　　2合成生物学的医学应用

　　在医学应用中，合成生物学主要是根据不同的疾病和致病机制，进行人工设计、构建适宜的治疗性基因回路，在载体的协助下植入人体，通过纠正机体有功能缺陷的回路，以实现治疗疾病的目的。在这些基因回路中，无论是基于机体内环境物质的变化，还是外源的物理、化学和生物信号，旨在通过影响其特定的生物学过程以重建生命内稳态。

　　3总结与展望

　　目前，在基础研究方面，合成生物学已初步实现了对基因组(原核生物)和染色体(真核生物)的合成。通过对必需基因和非必需基因的筛选，可确定生命体最小基因组，以深入了解基因功能、深刻理解生命起源[150]。随着对基因组信息解读和基因调控功能认知的深入，从最简单的生物元件合成，到功能性生物元件组装，再到系统性基因网络的整合均已取得实质性进展。在医学研究方面，根据合成生物学原理将设计合成的基因回路制备成工程细胞，利用特定的物理、化学或生物信号诱导、启动工程细胞发挥功能，已在癌症、糖尿病、高血压、神经退行性疾病和自身免疫性疾病等转化研究中取得了一定进展。

　　随着“感受器”“转换器”“人造胰岛β细胞”“人造外泌体”以及“蓝牙远程调控”等多学科研究和系统整合的不断深入，合成生物学与基因工程、细胞工程、人工智能等多学科的交叉融合，为未来实现便捷快速的临床智能诊疗一体化提供了全新的策略。相较于传统药物的疾病治疗模式，基于合成生物学原理设计合成的生物元件、基因回路以及基因调控网络，虽展现出明显优势，但仍然存在诸多应用安全性等问题。以抗生素、药物、食品添加剂或咖啡为基因开关设计合成的生物物质装置，因其需要口服或注射一定剂量才能“启动”基因回路，这些生物物质会因此进入生物体新陈代谢中，其本身的安全性、后期去除以及是否影响生物体其他功能尚不清晰。

　　以留兰香熏为诱导剂的基因回路，虽然是利用呼吸系统进行基因回路的诱导，也存在细胞耐受、机体过敏等问题。此外，因生物体自身敏感性和耐受性差异，使这些外源物质的摄入标准难以统一。同时，也会因生物体的代谢差异造成量的累积，这些偶然、随机变化而引起的机体反应不可预估。温控装置，因目前发现、应用的温度敏感型蛋白需在42ºC时方可激活，但此温度会对细胞、组织造成损伤，这一弊端限制了温控装置的应用。与生物物质装置和温控装置相比，光遗传装置的时空优势以及其可控性、低毒性等特征，使利用不同波长设计合成的光遗传装置越来越多，如近红光、远红光等，以上光波虽解决了蓝光穿透性、辐射性等缺陷，但仍需考虑其他光波在生物体内的衰减性以及长时间照射下的皮肤灼伤、生物应激反应等问题。合成生物学的一个重要历史使命是与系统生物学结合，从根本上解析生命现象及其运动规律[5]。

　　也正是因为对生命认知的局限性，限制了人们合理设计、构建和验证合成元件，甚至合成生命。随着不同生物元件、装置、系统的构建和验证实践的积累，合成生物学数据迅速增加，对这些数据进行深入挖掘、精准解读和系统整合，以形成对生命系统较全面的认知，是目前亟需解决的问题[2,151]。对原核细胞结构元件和真核细胞及其分子元件模块的深入研究依然是未来合成生物学发展的基础。

　　参考文献

　　[1]郭晓强,黄卫人,蔡志明.合成生物学在医学中的应用.科学,2015,67(3):26-29

　　作者：张强，顾明亮*