Life Medicine：当合成生物学遇上医学

近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所马英新研究员联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所戴俊彪研究员，在学术新期刊 Life Medicine 上发表了题为：When Synthetic biology meets Medicine 的长篇综述。

该综述聚焦于合成生物学工具对医学应用的思维革命，分为加速、升级和革新三个阶段，全面概述了近年来合成生物学在药物的发现及生产、疾病的诊断、疾病的治疗中的作用。

深圳先进院博士生冯禹歌为第一作者，深圳先进院马英新研究员与深圳农业基因组所戴俊彪研究员为共同通讯作者。

近年来，新冠大流行和包括寨卡病毒、埃博拉病毒在内的其他流行病显示出传染病在全球传播的惊人速度和规模。心脏病、糖尿病和癌症等非传染性疾病的快速增长给医疗系统也带来了巨大的压力。而药物开发、疾病的诊断和治疗进展仍落后于疾病的出现速度，许多急迫的临床需求仍没有得到解决。这就需要探索新技术来发现和开发生物医学和生物疗法。合成生物学是现代医学中的一个革命性领域。它专注于为特定目的设计人工工程系统，利用模块化系统，从酶和调节元件等简单单元，到通过精确调整和数学组合由简入繁的复杂模块，形成多个遗传回路。这篇综述全面概括了合成生物学在医学中应用的最新进展，特别关注在药物发现和生产、各种疾病的诊断和治疗中的作用。

合成生物学对医学意味着什么呢？从合成生物学的使能技术入手，这篇综述生动阐释了合成生物学三个不同阶段的思维变革和应用：对医学药物生产的加速、对疾病快速检测的迭代，以及对疾病精准治疗的革新。

图1 当合成生物学遇见医学

合成生物学思想的颠覆性在哪里呢？这篇综述强调了合成生物学模块化的概念。利用更广义的“输入”和“输出”，以DNA为编码原件，根据已有的生物学知识，按照人们的需要，将多个基因或生物分子进行耦合，组装成具有一定功能的生物模块，并最终将多个功能模块耦合成为一个系统，实现自然界中不存在但人类需要的生物学功能。

1、合成生物学加速药物分子的生产

图2 合成药物生产

生物制造药物分子的过程涉及三个关键步骤：底盘细胞的操作和生成、分子合成途径的构建和整合，以及代谢网络中酶的人工调节和增强。对于细胞工厂中生产特定的药物分子，通常选择“可操作的工程底盘”，突出的例子包括大肠杆菌、酿酒酵母和中国仓鼠卵巢细胞。合成生物学发展大大加速了这一进程，例如构建具有最小化基因组的人工细胞作为更可控的底盘，或将非标准氨基酸纳入代谢重构，以及新酶的实现。已经取得了非常多鲜艳的应用成果。包括实验室规模的大麻素类(Cannabinids)、单萜吲哚生物碱(MIAs)、非天然氨基酸药物，和已形成工厂规模的无定形二烯(Amorphadiene)、皂苷(Ginsenosides)。

此外，先进合成生物学工具无细胞系统，在生物制药产发现和开发中作用不断扩大，它们在没有细胞和膜限制的情况下，灵活精准地控制多肽，并且集中使用能量，而不需要高度进化的内部系统。多年来，无细胞系统已经应用在生产各种生物药物，例如抗体衍生物、抗体-药物耦合物、细胞因子、疫苗、膜蛋白、金属蛋白、病毒蛋白和抗微生物肽。

2、合成生物学升级疾病诊断

传统的诊断方法，如成像和生化检测，可能无法准确诊断所有类型的疾病，尤其是在早期或症状不典型的疾病。然而，DNA和RNA测序技术的迅速发展，通过患者样本遗传物质的直接提取，精准识别疾病，并根据基因型评估疾病风险。测序技术在病原体诊断中同样表现出搞敏感性和特异性，可以快速检测和完全识别病毒、细菌、真菌和寄生虫。对于存在先验知识的疾病尚且如此，高达60%的传染病病因仍未知。对新兴的、罕见的或具有挑战性的传染病，测序技术提供了传统诊断所没有的巨大优势。

通过分析得到的病原体基因组信息还可以帮我们了解其基因特征，如药物敏感性和耐药性，并预测其进化和突变趋势，这有助于制定有效的公共卫生策略。在新冠病毒大流行期间，测序技术发挥了重要作用。另一在健康和环境监测中发挥重要作用的是全细胞和无细胞传感器。

从传统的全细胞活性鉴定到利用自然疾病生物学和重建酶功能的生物传感器，已经实现了逐渐复杂的临床性能，其特点是灵敏性、特异性、便携性和可持续性。基因检测电路包括三种类型的组件：传感、信号处理和输出元件。全细胞传感器是指含有换能器元件的细胞，它的传感元件通常由用于分析物识别和诱导下有基因表达的转录因子组成。信号处理元件将感应信号转化为可测量信号，以实现分析物检测。这些信号通常包括放大器、反馈回路或逻辑门。许多产生荧光、颜色、电子或气体的报告蛋白则可以作为输出元件。DNA重组在其中做出了重大贡献。

图3 全细胞传感器

无细胞传感器则是基于体外的无细胞系统设计的微量物质检测工具，它具有消除跨膜转运障碍和克服与细胞存储相关的生物安全和营养限制的优点。它在快速检测中受到广泛关注，包括金属离子、群体感应分子、抗生素和病毒等领域。本综述中重点介绍了近年来在提高无细胞传感器的灵敏度和便携性方面取得的成就，这些重要领域包括转录因子的激活和抑制、Toehold开关和CRISPR-Cas识别。

图4 无细胞传感器

3、合成生物学革新疾病治疗

疾病治疗是医学领域的典型挑战。它需要两个基本步骤来解决人体对疾病的先天反应：精确定位受影响部位和实施有效的治疗。合成生物学的出现使疾病治疗方法发生了彻底的转变。体现了一种可编程设计的范式，这一概念体现在各个阶段，并对不同的细胞内和外源信号作出反应。本综述展望未来，将重点集中在几个开创性的战略上，包括基因编辑、治疗性核酸药物、细胞治疗、基于病毒的疾病治疗、细菌治疗和一些类器官应用。

图5 合成生物学革新疾病治疗

基因编辑是合成生物学中最强大、最广泛的工具之一，在下一代基因治疗中具有巨大潜力。本综述主要回顾了使用基因编辑工具治疗遗传疾病的进展，主要关注CRISPR-Cas、碱基编辑和先导编辑，以及它们在单核苷酸突变疾病和多基因突变的复杂疾病中的应用。

治疗性核酸是新一代的药物技术，正在成为生物医学领域有前景的候选者。治疗性核酸是具有不同功能的修饰RNA或DNA，在基因水平上治疗疾病，实现持久疗效。已经开发了一些治疗相关的核酸模式，包括DNA疫苗、RNA疫苗和可编程的分子，例如微小RNA(miRNA)、小干扰RNA(siRNA)和反义寡核苷酸(ASO)。这些工具已经获得批准或正在进行临床试验。

另一个临床批准的既定案例是CAR-T治疗，是工程细胞疗法最成功的案例之一。细胞治疗包括使用体外培养的修饰或未修饰的细胞，然后输回到体内工作。当与靶抗原结合时，刺激和共刺激结构域的激活促进T细胞增殖和靶细胞杀伤。配备定位装置“CAR”的T细胞可以特异性识别肿瘤细胞并释放各种效应因子，表现出强大的抗癌细胞毒性。CAR-T疗法的独特优势之一是能够实现基因控制电路。当进一步放大到识别特定信号并执行特定功能的人工合成程序中时，能够更精确地创建CAR-T细胞。合成生物学为设计具有增强的控制性、灵活性和特异性的工程嵌合T细胞提供了新的可能性。

本篇综述概述了两种先进的策略：自主控制和外部控制。被工程化以表达自主回路的免疫细胞可以结合来自工程化免疫细胞或天然环境的信号，包括细胞内细胞状态、抗原和肿瘤微环境。另一种关键方法是用来自外部试剂的不同信号设计细胞疗法，如光、超声和小分子。自主控制信号可以组合部署以解决复杂的癌症状况。在这里，我们重点介绍两种先进的逻辑电路：分离、通用、可编程CAR（SUPRA CAR）系统和共定位依赖的锁存正交笼/键蛋白质（Co-LOCKR）系统。具有外部控制电路的其他解决方案提供了更多可靠的安全性。美国食品药品监督管理局已批准的五种恶性肿瘤CAR-T疗法显示出良好的疗效和临床抗癌细胞毒性。

基于病毒的治疗策略同样展现出令人鼓舞的前景，包括病毒疫苗、病毒载体和噬菌体治疗。病毒疫苗在新冠大流行中被验证是最有效的治疗途径之一。相比前面提到的DNA和RNA 疫苗，基于病毒的疫苗更加成熟，包括灭活疫苗、减毒疫苗和病毒样颗粒，已经被应用于应对一系列疾病，包括脊髓灰质炎、流感、严重急性呼吸系统综合征、埃博拉和天花等。基因治疗的进步促使了用于递送治疗蛋白和基因编辑片段的病毒载体出现。常用的病毒载体包括逆转录病毒、腺病毒、腺相关病毒、单纯疱疹病毒和慢病毒，递送包括单克隆抗体、抗凝血剂、血液因子、酶、生长因子、激素和工程蛋白。过去的二十年里，已经批准了20多种病毒载体的疗法，重点用于癌症、单基因和传染病。病毒策略也为抗微生物耐药策略带来突破贡献。噬菌体疗法通过将其尾端附着在细菌细胞壁上并将其基因组注入衣壳（头部）来感染细菌细胞。这些噬菌体可分为烈性噬菌体和温和噬菌体。无论是治疗性工程噬菌体，还是作为递送的有效载荷，已被证实了高价值的治疗潜力。自2020以来，已经启动了29项设计噬菌体疗法的临床试验。

除了噬菌体外，细菌是另一种有前途的治疗平台。通过对多种细菌进行重新编辑，合成生物学为各种疾病提供潜在的治疗方法，包括代谢、胃肠道和肿瘤学疾病。工程微生物可以定义为广义基因回路，能够进行人工设定输入、操作和输出，并可以用作特定病原体的靶向载体或治疗分子的递送载体。工程治疗细菌在未来的肿瘤治疗中具有巨大的前景。细菌材料同样是潜在的治疗工具。集中类型的细菌膜囊泡（BMV）已被用作病毒感染和癌症的疫苗或疫苗佐剂。这些囊泡包括革兰氏阳性菌的膜囊泡（MV）、革兰氏阴性菌的外膜囊泡（OMV）、双层膜囊泡和原生质体衍生的纳米囊泡（PDNVs）。此外，工程细菌群落展现出更智能的治疗前景。将多种细菌整合到具有复杂代谢相互作用的工程菌群中，可以进一步实现多种生物医学策略的复杂级联反应，为工程菌疗法的未来发展提供了一个有希望的方向。

本综述最后讨论了近年来备受关注的器官和类器官治疗。种系工程一直致力于开发用于人类移植的器官、组织和细胞。目标不仅是解决器官缺陷，而且是对器官进行多重编辑，使其优于自然人体器官。类器官芯片则提供了一种精确的模型，模拟体内器官的生理病理的空间特征和微环境。这种体内微观生理系统的复制为疾病研究和药物筛选提供了一种新的选择。

总之，本篇综述从药物或治疗性核酸转变为模块化基因回路，并进一步转变为人工活细胞系统，最终可能扩展到器官和生殖系。这个过程涵盖了合成生物学目前的热点和有前景的重点医学应用，包括用于药物生产的细胞工厂、生物催化、新药发现、用于疾病监测的基因电路、基因编辑和基因组记录，以及活益生菌疗法。某些应用，如商业细胞工厂和CAR-T疗法，已经显著成熟，并引起了热情投资者的关注，而其他应用，如核酸疫苗和病毒载体递送，已经为全球流行病管理做出了重大贡献。合成生物学在医学应用中的开端现在变得势不可挡。曾经被认为无法实现的日益增长的生物医学愿望，现在正通过合成生物学的新前沿来实现。

未来，合成生物学的长期科学追求之一似乎是创造生物智能。已经取得了重大进展，在合成和组装编码的大肠杆菌片段、生殖分枝杆菌的完整小基因组和全套酵母染色体（Sc2.0）方面开创了先例。最近的研究，如人工原核系统、DNA存储和基因组写写，进一步证明了实现这一目标的可能性。这些成就为重新设计、创新，甚至超越生命本身，彻底改变医学打开了大门。

另一个重要的实验途径涉及跨学科集成的进一步交叉，包括计算机辅助设计（CAD）、生物逻辑计算和人工智能（AI）。与合成生物学日益加强的多学科融合无疑将开创“合成生物创新医学”的新时代。

合成生物学在医学应用中越来越受到重视，展示了学术界和工业界之间的创新技术合作。然而，前方还有相当大的挑战，特别是在安全、生物伦理和法律考虑方面。随着医疗疗法最终旨在解决人类健康问题，解决这些短缺和瓶颈变得至关重要。

这篇综述只触及了合成生物学所带来的巨大可能性的表面。鉴于迄今为止取得的非凡进展和医学应用方面的众多持续努力，我们预计物种结构和功能的黑匣子将在未来打开。这将导致从原理产品到生物学中的智能设计的飞跃。总的来说，合成生物学标志着医学领域一个新时代的开始。