创新系统延长基因电路寿命 有望很大化溶瘤细菌的抗癌效力
来源：医麦客 2019-10-07 10:41
在过去二十年里，合成生物学家已经开发出复杂的基因电路来控制单个细胞的活动，但随着时间的推移，这种系统不可避免地会由于导致失控突变的进化选择压力而失去功能。现有解决方法包括将重组元件整合到宿主基因组中和使用质粒稳定元件，合成“杀伤开关”或合成氨基酸。虽然稳定元素可以延长作用时间，但是进化将不可避免地使稳定元素失效。近日，加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种可以让基因电路持续更长时间的新方法，他们
在过去二十年里，合成生物学家已经开发出复杂的基因电路来控制单个细胞的活动，但随着时间的推移，这种系统不可避免地会由于导致失控突变的进化选择压力而失去功能。
现有解决方法包括将重组元件整合到宿主基因组中和使用质粒稳定元件，合成“杀伤开关”或合成氨基酸。虽然稳定元素可以延长作用时间，但是进化将不可避免地使稳定元素失效。
近日，加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种可以让基因电路持续更长时间的新方法，他们称之为“石头剪刀布(rock-paper-scissors)”，其奥妙在于用另一个携带基因电路的细菌亚群“替换”一个携带基因电路的亚群，从而在保持电路运行的同时，重置突变时钟。该研究中使用的基因电路正是这个团队和其他团队正在积极开发的新型癌症疗法的电路之一。相关成果于9月6日发表在权威期刊Science上。
该论文的通讯作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程学和生物学教授Jeff Hasty说：“我们已经证明可以在不涉及对抗进化的情况下稳定基因电路。一旦我们停止在单个细胞层面上与进化作斗争，我们就会发现，只要我们愿意，我们就能让一个代谢活跃的基因回路一直运行下去。”该论文的第一作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程博士生Michael Liao表示：“作为合成生物学家，我们的目标是开发基因电路，使我们能够利用微生物进行广泛的应用。
然而，今天的现实是，我们植入微生物的基因电路很容易因为进化而失效。无论是几天，几周，还是几个月，即使采用最好的电路稳定方法，这也只是时间问题。一旦你失去了基因电路的功能，你就别无他法，只能从头开始。我们的工作表明，还有另一条前进的道路，不仅在理论上，而且在实践中。”如果新的方法可以针对生命系统进行优化，那么对许多领域都具有重大意义，包括癌症治疗、生物修复以及有用蛋白质和化学成分的生物生产。
“石头剪刀布”
为了真正为突变时钟建立一个“重置按钮”，研究人员专注于微生物菌株之间的动态，而不是试图在单个细胞水平上保持选择压力。他们的群落级工程系统使用了三个大肠杆菌亚群和一个“石头剪刀布(rock-paper-scissors)”动力。这意味着“石头”菌株可以杀死“剪刀”菌株，但会被“布”菌株杀死。大多数已发表的工作倾向于关注在单细胞水平上起作用的稳定策略。虽然其中一些方法在特定的治疗环境中可能足够，但是进化决定了单细胞方法自然会在某些时候停止工作。然而，由于石头剪刀布(RPS)系统在群落层面起稳定作用，并且它也可以与其它作用于单个细胞的系统结合使用，因此它大大延长了基因电路的功能寿命。
在RPS系统的操纵下，三种细菌展开了一场“腥风血雨”的斗争，瞧视频中那酷炫的红蓝绿光，每一个闪烁都代表着生命的终结或继续！研究人员使用微流体装置研究了种群的动态，这些装置允许不同亚种群之间的受控相互作用。他们还证明了在较大的体系中进行测试时，该系统是稳健的。
抗癌神器——同步裂解回路
在2016年发表在Nature的一篇论文中，由Hasty领导的加州大学圣地亚哥分校的研究人员和麻省理工学院的同事合作，创造了一种“同步裂解回路(SLC)”，可用于释放由肿瘤内和周围积聚的细菌产生的抗癌药物。第一作者是当时加州大学圣地亚哥分校的在读研究生M. Omar Din和前麻省理工学院博士后Tal Danino(现任哥伦比亚大学教授)。Hasty、Din和Danino是GenCirq的联合创始人，GenCirq是一家寻求将这项及相关工作转移到临床的公司。最新发表在Science的研究中，加州大学圣地亚哥分校的研究小组也将重点放在了同步裂解平台上。
【原理】由于“群体感应”功能也融入了基因电路，只有当定植到肿瘤的细菌达到阈值密度时，SLC被激活。激活导致同步裂解，其以循环方式控制遗传编码的治疗剂(抗癌药物)的局部释放。在裂解之后，大约10%没有受影响的细菌种群又开始增长。当种群密度再次达到临界阈值(更多的“群体感应”)时，又一次的药物释放被触发，这个由研究人员编码的SLC系统被再次启动。裂解起到维持低水平细菌的作用，以增强安全性。
今年7月， Tal Danino等人在顶级医学期刊Nature Medicine上发表的最新研究显示，同步裂解技术可用于对小鼠肿瘤进行免疫治疗。
Hasty说：“据我所知，他们是第一个证明在治疗肿瘤中细菌药物的产生和递送可以改变免疫系统以攻击未治疗肿瘤的方法。结果令人着迷。“然而，挑战在于，这种杀死癌症的基因回路，以及合成生物学家创造的其他基因回路，最终在细菌中停止工作。罪魁祸首是由进化过程驱动的突变。Hasty说：“事实上，一些细菌在肿瘤中自然生长，我们可以对它们进行基因工程，使它们在体内产生并提供治疗。但我们必须找到保持基因电路运转的方法。我们还有很多工作要做，但我们展示了通过交换种群来保持电路运行的策略，这是合成生物学向前迈出的一大步。”目前的方法不限于本文的三菌株系统，例如，各个微生物群可以各自被编程以产生不同的药物，提供精确组合药物疗法治疗癌症的潜力。Hasty表示，下一步将是将该方法与标准稳定方法相结合，并证明该系统在活体动物模型中有效，“我们正在融合一个极其稳定的药物递送平台，对细菌疗法具有广泛的适用性”。(生物谷Bioon.com）
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