合成生物学将引领下一代基因组学
某种程度上讲，合成生物学为下一代基因组学的发展搭建了基础。
随着技术的不断发展，合成生物学正在为临床治疗和医学诊断开发带来更加工业化、设计驱动的方法。科学家们发现，他们可以像计算机一样对细胞进行编程，从而实现大规模制造 DNA，或是将 RNA 递送到非肝脏组织等目标。
与此同时，合成生物学技术开始为投资者们带来回报。Twist Bioscience 首席执行官 Emily Leproust 博士表示，“随着合成生物学技术和平台的不断更新，将其应用于一些具有高价值的产品，各个公司将有机会从中获益。接下来，我们的技术将推动一些领域的重大变革。”
然而，在实现这些重大变化之前，合成生物学必须解决来自制造方面的问题。“我们需要更好地推断生物学的设计原则，并了解生物分子成分如何在合成基因回路中相互作用以及与宿主相互作用，” 麻省理工学院的 Termeer 医学工程与科学中心教授 James J. Collins 博士承认。“我们需要更多的分子组分来制造合成生物学产品。”
目前，Collins 和他的团队正在利用机器学习设计用于诊断平台的 RNA 开关。所谓的 RNA 开关是一类基因调控元件，可以调控蛋白质的表达。
在该元件的设计和工程化过程中，Collins 表示，CRISPR 和合成生物学技术实现了前所未有的升级进化。
基于核酸检测的诊断具有高灵敏度和特异性，但大多数该类检测需要昂贵的设备和训练有素的人员。而建立在 CRISPR 技术的特异性、可编程性和易用性的基础上，基于该技术的即时 (POC) 诊断产品将走向常规临床护理和各类场景中。
图丨两种基于 CRISPR 的诊断策略（来源：Nature）
除此之外，Collins 还在研究合成基因电路和可编程细胞。例如，他正在改造细菌，让它们 “产生一种酶来分解药物，或产生一种分子来控制疾病。”
Collins 在麻省理工学院实验室及其联合创立的公司 Synlogic 正在开展此类工作。Synlogic 开发了 “Synthetic Biotics” 系列管线以便治疗疾病。目前部分药物已经进入临床试验阶段，包括用于治疗实体瘤的合成生物药物 SYN1891。
（来源：Synlogic）
“到目前为止，生物学还没有完全实现工程化。” Collins 指出，“因此我们还需要继续扩展必要的工具和零件清单。” 他认为，科学家最终将实现即时读取细胞内活动，并使用台式机快速、低成本地合成 DNA。
在 Ginkgo Bioworks 的生物平台上开发细胞程序，就像软件公司开发计算机程序一样 —— 唯一的区别是 Ginkgo 使用 DNA 碱基编辑，而不是数字 0 和 1。Ginkgo 的想法是为细胞工程提供模块化、可重复使用的代码，以便让各个公司快速生产从疗法到合成食品在内的各种产品。
Kelly 和 Ginkgo 的其他联合创始人 —— 包括麻省理工学院高级研究员、“合成生物学教父” Tom Knight 等人的愿景十分简单：打造一家能够像 IT 公司一样运作的合成生物学公司。他们认为，正如每个使用软件的人不一定非要学习编程一样，其它领域的应用专家也不需要成为一个生物学家来自行编程一个工程化细胞。
图丨 Ginkgo 创始团队，从左至右依次为 Reshma Shetty, Barry Canton, Jason Kelly, Austin Che, Tom Knight（来源：Ginkgo）
“DNA 也是一种数字代码，可以编写和‘打印’出来。”Ginkgo 的联合创始人兼首席执行官 Jason Kelly 博士强调说，“无论最终结果是产生一种疗法、一个反应还是食物，对于细胞编程的工具来说都是一样的。”
目前，Kelly 对两个项目特别感兴趣。一个是以工程化微生物工具解决核酸疫苗供应链的压力，这对于 COVID-19 的控制至关重要。“制造基于核酸药物的关键酶供不应求，” 他指出，“包括加帽酶等，在大流行之前，它们主要用于研发工作。”
另一个项目则是与罗氏合作的抗生素发现计划。在 “下一代抗生素” 项目中，Ginkgo 的工作包括使用基因组挖掘程序（通过收购 Revolutions Medicine 的 Warp Drive Bio 获得）去挖掘包含 135,000 多个细菌菌株的代码库，同时寻找具有潜在功能性的基因组。Kelly 认为，“筛选基因组是一种寻找化合物的新方法。”
除此之外，代码库中还包括专门为 Ginkgo 客户开发的遗传代码。“我们拥有重复使用遗传代码的权利，” Kelly 指出。由于遗传密码和 IT 代码一样具有模块化功能性，重复利用将会减少每个合作伙伴的项目耗费时间和成本。
Twist Bioscience 仍在致力于将制造 DNA 所需的时间减半，以便实现在一周内合成大量 DNA。通过快速合成 DNA，Twist 希望为个性化医疗的发展做出贡献 —— 让每个人都能够根据自身突变来获得个性化药物。
Twist 首席执行官 Emily Leproust 认为，在未来，个性化医疗或将 “使癌症等疾病成为慢性病”。癌症患者将可以通过自身的突变状况改变用药，Leproust 指出，在高通量 DNA 合成芯片的帮助下，这种方法是可行的。
为了进一步加速 DNA 合成，Twist Bioscience 正在对其硅芯片进行改造。“现在，我们可以在 50 微米大小的芯片上搭载 100 万个独特的 ssDNA 寡核苷酸。” 鉴于芯片上每个 “离散簇” 间距缩小 10 倍，其搭载数量就会增加一个平方。“我们将直接跳过十亿的数量级，下一步则是将芯片上离散簇距缩小 1,000 倍，以便实现创建百万倍数量的寡核苷酸。”
（来源：Twist）
高通量解决方案不仅能够使 Twist 更快地完成更大的订单，对于公司客户来说也将 “加速他们的发现计划”。
不过，更高通量的合成就要面临来自测试方面的挑战。“如果仅合成一段 DNA，那很容易判断它正确与否。但确认 1 万亿数量的 DNA 片段就不那么容易了。” 对此，Twist Bioscience 的解决方案是针对新型芯片上的数万亿个 DNA 片段进行测序。
目前，Twist Bioscience 正在开发这种特殊的芯片，以便使用 DNA 作为存档数据文件的存储介质。
图丨 DNA 数据存储（来源：Twist）
“我们可以将 0 和 1 转换为 ACGT，然后在硅芯片上合成 DNA，将信息存储一千年或更长时间，”Leproust 说。“技术人员可以随时从芯片中提取 DNA，然后对 DNA 进行 PCR 扩增以提取特定数据并测序，然后在 24 小时内将文件返回给用户。”
纳米颗粒由不同的材料组成，一般情况下，需要先在细胞中进行测试，再进行动物试验。由于涉及到数百万种可能的组合，因此确定靶向特定组织的纳米颗粒的效果较低。
佐治亚理工学院、生物医学工程副教授 James Dahlman 博士开发了一种系统，该系统使用 DNA 条形码追踪纳米颗粒，以验证治疗有效载荷是否到达靶向组织。这种方式将 DNA 片段连接到不同的纳米颗粒上，纳米颗粒进入的不同组织后，测序后就可以确定不同纳米颗粒的组织靶向性。
“虽然 RNA 和 DNA 疗法有很多好处，但现阶段无法精确靶向”，Dahlman 补充道。“如果有效载荷（mRNA 或 siRNA）可以被传递到肝脏之外的组织器官，那么就可以开发用于更广泛的疾病的治疗方式。这同样也适用于细胞和基因疗法。”
图 | DNA 条形码追踪纳米颗粒（来源：Guide Therapeutics）
尽管科学家们正在研究非肝脏组织的递送，但凭借着其独有的方式， Dahlman 共同创立的 Guide Therapeutics 公司，在用 DNA 条形码追踪纳米颗粒时，一次可以进行数千次试验。目前该公司已被 Beam Therapeutics 收购。
“DNA 条形码能够帮助科学家确定哪种递送工具最适合特定组织或者有效载荷，使用 DNA 条形码完全可以缩短寻找范围，可以加速非肝脏目标的药物开发。” Dahlman 表示。
目前，Dahlman 还在寻找更好的方法将该技术从小鼠模型应用到更大的动物。他有 10 篇期刊论文处于投递阶段，并希望其中一篇具有很高的影响力。他暗示，“这篇论文是关于 “我们正在开发的一项新技术，可用于研究依赖于物种的递送变化。”
诱导多能干细胞（iPSCs ）的出现，以其基因工程和在培养中无限扩展的能力，创造了一个潜在的无限细胞来源，用于分化为特殊细胞类型和 “现成” 细胞疗法的开发。2006 年，日本京都大学山中伸弥团队首次报道了 iPSC 的研究，时隔一年，科学家就成功开发出人源 iPSC，并可以分化出人体所有细胞种类。
美国著名的细胞治疗公司 Fate Therapeutics 正在开发 iPSC，其技术突破包括对人类 iPSC 进行基因修饰，并将其分化成 NK 细胞和 T 细胞，做成通用型的 CAR-T 和 CAR-NK。2020 年 4 月份，该公司与杨森达成了 31 亿美元的合作， 一起开发 iPSC 诱导分化的细胞药物。
其中，FT596 是该公司较为代表性的管线，FT596 是一种通用的、现成的 NK 细胞癌症免疫疗法。在 FT596 的临床前研究中，该公司已证明 CAR19 和 hnCD16 靶向受体的双重激活，结合 IL-15RF 信号传导，可传递协同抗肿瘤活性。这是一种表达了三个转入基因的 CAR-NK，算是一种增强型的 CAR-NK。目前单药试验、联合用药试验都在进行。
图 | FT596，为 NK 细胞抗肿瘤活性量身定制的强效 CAR，hnCD16 普遍使用 mAb 并减轻抗原逃逸，IL15/R 可在无需细胞因子支持的情况下实现 NK 细胞的持久性（来源：Fate Therapeutics）
“这种现成的方式可以将治疗成本降低 100 倍，而且患者无需等待。” 首席研发官 Bob Valamehr 博士表示。
这种通用型的方式可以通过组合不同抗原类型、信号传导基因来攻击癌症。Valamehr 的预测，在下一代的 iPSC 产品中，插入的基因可能会相互通讯。
Valamehr 表示，Fate 的目标是 “将生产扩大到 10,000 升的规模，以便有一天，药剂师可以储备 iPSC 疗法并按处方进行给药。”
双组分信号转导系统是细菌体内最重要的信号转导系统（TSC），调控着细菌的大部分生命活动，作为潜在的新型抗菌药物靶标，细菌的 TCS 长久以来都是相关领域研究的热点。
在莱斯大学，生物工程副教授 Jeffrey Tabor 博士正在利用细菌的 TCS 来开发下一代生物传感器，以便将其用于基础科学、医学和工业中。
有超过六大类的双组件系统，都以类似的方式工作。它们有一个传感器激酶 (SK) 组件，可以 “聆听” 来自外界的信号，接收信号后启动磷酸化的过程。这会激活第二个组件，一个作用于特定基因的反应调节器 (RR)—— 像开关一样打开或关闭它，磷酸化后的调节蛋白可以调控一些基因的表达，从而调控了细菌的大多数生理过程。
“但是在已经确定的大约 50000 个双组分系统中，大约 99% 的没有固定特征，我们无法判断这类双组分系统在感知或者调节哪类基因。” Tabor 说道。
目前，Tabor 及其团队正在开发技术以明确双组分系统的机制。考虑到 SK 和 PR 组分的工作方式相似，Tabor 及团队交换了 DNA 结合域部分，以识别和编辑响应受体中的 DNA 结合域。
“我们希望这个系统能够有效地控制体内治疗的进程。”Tabor 说道。
目前，这项技术正在转让给一家初创公司 PanaBio，用于制造具有诊断和治疗相关功能的细菌。“除此之外，我们还与生物材料实验室合作生产‘水凝胶材料’，将细菌包裹在半透膜中，阻隔细菌的同时允许治疗分子穿过该膜。”Tabor 透露，希望 “水凝胶材料” 能够在未来四年之内进入临床。
合成生物学构成了生命科学的下一次革命，它正在从实验室走向临床。在不久的将来，将出现更简洁的工程疗法，这些疗法将更有效、更有针对性、更安全的实施。