合成生物學將引領下一代基因組學
某種程度上講，合成生物學爲下一代基因組學的發展搭建了基礎。
隨着技術的不斷髮展，合成生物學正在爲臨牀治療和醫學診斷開發帶來更加工業化、設計驅動的方法。科學家們發現，他們可以像計算機一樣對細胞進行編程，從而實現大規模製造 DNA，或是將 RNA 遞送到非肝臟組織等目標。
與此同時，合成生物學技術開始爲投資者們帶來回報。Twist Bioscience 首席執行官 Emily Leproust 博士表示，“隨着合成生物學技術和平臺的不斷更新，將其應用於一些具有高價值的產品，各個公司將有機會從中獲益。接下來，我們的技術將推動一些領域的重大變革。”
然而，在實現這些重大變化之前，合成生物學必須解決來自制造方面的問題。“我們需要更好地推斷生物學的設計原則，並瞭解生物分子成分如何在合成基因迴路中相互作用以及與宿主相互作用，” 麻省理工學院的 Termeer 醫學工程與科學中心教授 James J. Collins 博士承認。“我們需要更多的分子組分來製造合成生物學產品。”
目前，Collins 和他的團隊正在利用機器學習設計用於診斷平臺的 RNA 開關。所謂的 RNA 開關是一類基因調控元件，可以調控蛋白質的表達。
在該元件的設計和工程化過程中，Collins 表示，CRISPR 和合成生物學技術實現了前所未有的升級進化。
基於核酸檢測的診斷具有高靈敏度和特異性，但大多數該類檢測需要昂貴的設備和訓練有素的人員。而建立在 CRISPR 技術的特異性、可編程性和易用性的基礎上，基於該技術的即時 (POC) 診斷產品將走向常規臨牀護理和各類場景中。
圖丨兩種基於 CRISPR 的診斷策略（來源：Nature）
除此之外，Collins 還在研究合成基因電路和可編程細胞。例如，他正在改造細菌，讓它們 “產生一種酶來分解藥物，或產生一種分子來控制疾病。”
Collins 在麻省理工學院實驗室及其聯合創立的公司 Synlogic 正在開展此類工作。Synlogic 開發了 “Synthetic Biotics” 系列管線以便治療疾病。目前部分藥物已經進入臨牀試驗階段，包括用於治療實體瘤的合成生物藥物 SYN1891。
（來源：Synlogic）
“到目前爲止，生物學還沒有完全實現工程化。” Collins 指出，“因此我們還需要繼續擴展必要的工具和零件清單。” 他認爲，科學家最終將實現即時讀取細胞內活動，並使用臺式機快速、低成本地合成 DNA。
在 Ginkgo Bioworks 的生物平臺上開發細胞程序，就像軟件公司開發計算機程序一樣 —— 唯一的區別是 Ginkgo 使用 DNA 鹼基編輯，而不是數字 0 和 1。Ginkgo 的想法是爲細胞工程提供模塊化、可重複使用的代碼，以便讓各個公司快速生產從療法到合成食品在內的各種產品。
Kelly 和 Ginkgo 的其他聯合創始人 —— 包括麻省理工學院高級研究員、“合成生物學教父” Tom Knight 等人的願景十分簡單：打造一家能夠像 IT 公司一樣運作的合成生物學公司。他們認爲，正如每個使用軟件的人不一定非要學習編程一樣，其它領域的應用專家也不需要成爲一個生物學家來自行編程一個工程化細胞。
圖丨 Ginkgo 創始團隊，從左至右依次爲 Reshma Shetty, Barry Canton, Jason Kelly, Austin Che, Tom Knight（來源：Ginkgo）
“DNA 也是一種數字代碼，可以編寫和‘打印’出來。”Ginkgo 的聯合創始人兼首席執行官 Jason Kelly 博士強調說，“無論最終結果是產生一種療法、一個反應還是食物，對於細胞編程的工具來說都是一樣的。”
目前，Kelly 對兩個項目特別感興趣。一個是以工程化微生物工具解決核酸疫苗供應鏈的壓力，這對於 COVID-19 的控制至關重要。“製造基於核酸藥物的關鍵酶供不應求，” 他指出，“包括加帽酶等，在大流行之前，它們主要用於研發工作。”
另一個項目則是與羅氏合作的抗生素髮現計劃。在 “下一代抗生素” 項目中，Ginkgo 的工作包括使用基因組挖掘程序（通過收購 Revolutions Medicine 的 Warp Drive Bio 獲得）去挖掘包含 135,000 多個細菌菌株的代碼庫，同時尋找具有潛在功能性的基因組。Kelly 認爲，“篩選基因組是一種尋找化合物的新方法。”
除此之外，代碼庫中還包括專門爲 Ginkgo 客戶開發的遺傳代碼。“我們擁有重複使用遺傳代碼的權利，” Kelly 指出。由於遺傳密碼和 IT 代碼一樣具有模塊化功能性，重複利用將會減少每個合作伙伴的項目耗費時間和成本。
Twist Bioscience 仍在致力於將製造 DNA 所需的時間減半，以便實現在一週內合成大量 DNA。通過快速合成 DNA，Twist 希望爲個性化醫療的發展做出貢獻 —— 讓每個人都能夠根據自身突變來獲得個性化藥物。
Twist 首席執行官 Emily Leproust 認爲，在未來，個性化醫療或將 “使癌症等疾病成爲慢性病”。癌症患者將可以通過自身的突變狀況改變用藥，Leproust 指出，在高通量 DNA 合成芯片的幫助下，這種方法是可行的。
爲了進一步加速 DNA 合成，Twist Bioscience 正在對其硅芯片進行改造。“現在，我們可以在 50 微米大小的芯片上搭載 100 萬個獨特的 ssDNA 寡核苷酸。” 鑑於芯片上每個 “離散簇” 間距縮小 10 倍，其搭載數量就會增加一個平方。“我們將直接跳過十億的數量級，下一步則是將芯片上離散簇距縮小 1,000 倍，以便實現創建百萬倍數量的寡核苷酸。”
（來源：Twist）
高通量解決方案不僅能夠使 Twist 更快地完成更大的訂單，對於公司客戶來說也將 “加速他們的發現計劃”。
不過，更高通量的合成就要面臨來自測試方面的挑戰。“如果僅合成一段 DNA，那很容易判斷它正確與否。但確認 1 萬億數量的 DNA 片段就不那麼容易了。” 對此，Twist Bioscience 的解決方案是針對新型芯片上的數萬億個 DNA 片段進行測序。
目前，Twist Bioscience 正在開發這種特殊的芯片，以便使用 DNA 作爲存檔數據文件的存儲介質。
圖丨 DNA 數據存儲（來源：Twist）
“我們可以將 0 和 1 轉換爲 ACGT，然後在硅芯片上合成 DNA，將信息存儲一千年或更長時間，”Leproust 說。“技術人員可以隨時從芯片中提取 DNA，然後對 DNA 進行 PCR 擴增以提取特定數據並測序，然後在 24 小時內將文件返回給用戶。”
納米顆粒由不同的材料組成，一般情況下，需要先在細胞中進行測試，再進行動物試驗。由於涉及到數百萬種可能的組合，因此確定靶向特定組織的納米顆粒的效果較低。
佐治亞理工學院、生物醫學工程副教授 James Dahlman 博士開發了一種系統，該系統使用 DNA 條形碼追蹤納米顆粒，以驗證治療有效載荷是否到達靶向組織。這種方式將 DNA 片段連接到不同的納米顆粒上，納米顆粒進入的不同組織後，測序後就可以確定不同納米顆粒的組織靶向性。
“雖然 RNA 和 DNA 療法有很多好處，但現階段無法精確靶向”，Dahlman 補充道。“如果有效載荷（mRNA 或 siRNA）可以被傳遞到肝臟之外的組織器官，那麼就可以開發用於更廣泛的疾病的治療方式。這同樣也適用於細胞和基因療法。”
圖 | DNA 條形碼追蹤納米顆粒（來源：Guide Therapeutics）
儘管科學家們正在研究非肝臟組織的遞送，但憑藉着其獨有的方式， Dahlman 共同創立的 Guide Therapeutics 公司，在用 DNA 條形碼追蹤納米顆粒時，一次可以進行數千次試驗。目前該公司已被 Beam Therapeutics 收購。
“DNA 條形碼能夠幫助科學家確定哪種遞送工具最適合特定組織或者有效載荷，使用 DNA 條形碼完全可以縮短尋找範圍，可以加速非肝臟目標的藥物開發。” Dahlman 表示。
目前，Dahlman 還在尋找更好的方法將該技術從小鼠模型應用到更大的動物。他有 10 篇期刊論文處於投遞階段，並希望其中一篇具有很高的影響力。他暗示，“這篇論文是關於 “我們正在開發的一項新技術，可用於研究依賴於物種的遞送變化。”
誘導多能幹細胞（iPSCs ）的出現，以其基因工程和在培養中無限擴展的能力，創造了一個潛在的無限細胞來源，用於分化爲特殊細胞類型和 “現成” 細胞療法的開發。2006 年，日本京都大學山中伸彌團隊首次報道了 iPSC 的研究，時隔一年，科學家就成功開發出人源 iPSC，並可以分化出人體所有細胞種類。
美國著名的細胞治療公司 Fate Therapeutics 正在開發 iPSC，其技術突破包括對人類 iPSC 進行基因修飾，並將其分化成 NK 細胞和 T 細胞，做成通用型的 CAR-T 和 CAR-NK。2020 年 4 月份，該公司與楊森達成了 31 億美元的合作， 一起開發 iPSC 誘導分化的細胞藥物。
其中，FT596 是該公司較爲代表性的管線，FT596 是一種通用的、現成的 NK 細胞癌症免疫療法。在 FT596 的臨牀前研究中，該公司已證明 CAR19 和 hnCD16 靶向受體的雙重激活，結合 IL-15RF 信號傳導，可傳遞協同抗腫瘤活性。這是一種表達了三個轉入基因的 CAR-NK，算是一種增強型的 CAR-NK。目前單藥試驗、聯合用藥試驗都在進行。
圖 | FT596，爲 NK 細胞抗腫瘤活性量身定製的強效 CAR，hnCD16 普遍使用 mAb 並減輕抗原逃逸，IL15/R 可在無需細胞因子支持的情況下實現 NK 細胞的持久性（來源：Fate Therapeutics）
“這種現成的方式可以將治療成本降低 100 倍，而且患者無需等待。” 首席研發官 Bob Valamehr 博士表示。
這種通用型的方式可以通過組合不同抗原類型、信號傳導基因來攻擊癌症。Valamehr 的預測，在下一代的 iPSC 產品中，插入的基因可能會相互通訊。
Valamehr 表示，Fate 的目標是 “將生產擴大到 10,000 升的規模，以便有一天，藥劑師可以儲備 iPSC 療法並按處方進行給藥。”
雙組分信號轉導系統是細菌體內最重要的信號轉導系統（TSC），調控着細菌的大部分生命活動，作爲潛在的新型抗菌藥物靶標，細菌的 TCS 長久以來都是相關領域研究的熱點。
在萊斯大學，生物工程副教授 Jeffrey Tabor 博士正在利用細菌的 TCS 來開發下一代生物傳感器，以便將其用於基礎科學、醫學和工業中。
有超過六大類的雙組件系統，都以類似的方式工作。它們有一個傳感器激酶 (SK) 組件，可以 “聆聽” 來自外界的信號，接收信號後啓動磷酸化的過程。這會激活第二個組件，一個作用於特定基因的反應調節器 (RR)—— 像開關一樣打開或關閉它，磷酸化後的調節蛋白可以調控一些基因的表達，從而調控了細菌的大多數生理過程。
“但是在已經確定的大約 50000 個雙組分系統中，大約 99% 的沒有固定特徵，我們無法判斷這類雙組分系統在感知或者調節哪類基因。” Tabor 說道。
目前，Tabor 及其團隊正在開發技術以明確雙組分系統的機制。考慮到 SK 和 PR 組分的工作方式相似，Tabor 及團隊交換了 DNA 結合域部分，以識別和編輯響應受體中的 DNA 結合域。
“我們希望這個系統能夠有效地控制體內治療的進程。”Tabor 說道。
目前，這項技術正在轉讓給一家初創公司 PanaBio，用於製造具有診斷和治療相關功能的細菌。“除此之外，我們還與生物材料實驗室合作生產‘水凝膠材料’，將細菌包裹在半透膜中，阻隔細菌的同時允許治療分子穿過該膜。”Tabor 透露，希望 “水凝膠材料” 能夠在未來四年之內進入臨牀。
合成生物學構成了生命科學的下一次革命，它正在從實驗室走向臨牀。在不久的將來，將出現更簡潔的工程療法，這些療法將更有效、更有針對性、更安全的實施。