合成生物學當前和未來的影響
合成生物學領域，涉及新型人工生物途徑、生物體和設備的開發，以及現有自然生物系統的重新設計，正在以越來越快的速度發展。自 1990 年代首次啟用其開發以來，1它一直與生命科學研究中一些最重要的主題相關聯，包括與 COVID-19 的鬥爭。2個
該行業的經濟影響也越來越重要，全球市場規模從 2021 年的 95 億美元增加到 2026 年的估計 332 億美元。3認識到這一領域的增長和潛力，本文探討了一些最該行業的創新趨勢、公司和技術，以及專家對未來的看法。
“合成生物學是關於工具和思維方式的。從根本上說，我們可以使用哪些工具和技術來重新編程生命系統（如細菌或哺乳動物細胞），以及我們如何利用這些技術來實現可持續性和人類健康？” 國際工業貿易集團 SynBioBeta 的國際推廣總監 Fiona Mischel 問道。“當然，這些工具並不是全部，但它們提供了一個強有力的起點。我相信該領域植根於利用有益於人類和地球健康的新技術。”
當談到細菌等微生物時，社區的概念是關鍵——從保持健康的腸道到確保清潔的水和具有生物活性的土壤。Eagle Genomics 微生物組解決方案總監 Christian Roghi 博士認為它們具有很大的潛力。“這些混合的微生物群落（微生物組）並不反映隨機的個體組合，而是一個相互作用的微生物實體。一個多世紀以來，利用它們的價值一直受到限制，主要用於廢水處理，”他分享道。“這是通過操縱微生物環境來創造一個明確的功能來實現的。” 雖然這種基於選擇的方法已被證明對於指導初始生物過程具有無可估量的價值，但它們具有局限性，而且肯定無法釋放這些微生物組的全部潛力。“向前邁進，”他說，“我們需要採用自下而上、基於部件的工程方法來創建具有更精細代謝活動的轉基因微生物組。Eagle Genomics 通過其人工智能增強型知識發現平台 e[datascientist]，正在幫助釋放微生物群落的力量，以幫助解決當前和未來的挑戰。”
合成生物學通過基於微生物的系統（例如微生物組）的影響是巨大的。然而，當將合成生物學鏡頭轉向人類 DNA 時，加速研發和人類健康的潛力也很重要。例如，最近的一項重大突破是 DeepMind 的人工智能軟件 AlphaFold，它專注於根據氨基酸序列預測蛋白質形狀。4 “至少，AlphaFold 讓我們更好地了解蛋白質的功能並揭示潛在的新藥物靶標、結合位點以及我們以前無法探索的各種潛在蛋白質相互作用，”Mischel 評論道。“這對人類健康具有巨大影響，包括新藥的發現和開發。”
Twist Bioscience 的合成 DNA 為一系列進行重要研發的組織創建了高質量的抗體庫。這樣的圖書館可以導致更有效的篩選，因此成為藥物開發行業的遊戲規則改變者。“通過利用我們大規模製造 DNA 的獨特能力，我們可以構建特定的抗體庫，旨在匹配人體內自然發生的序列，平移它們以找到命中，並優化它們以獲得高效的線索，為臨床前開發做好準備”聯合創始人兼首席執行官 Emily Leproust 博士解釋道。“我們的 DNA 合成平台的核心是一個矽芯片，與使用 96 孔板一次製作 96 個寡核苷酸的傳統方法相比，它使我們能夠一次‘編寫’100 萬個寡核苷酸。這使我們能夠以客戶無法獲得的規模製造 DNA。這種方法也更可持續。我們已經將合成 DNA 的化學過程小型化，並且比使用 96 孔板的方法少使用 99.8% 的化學試劑，”她說。
合成生物學也對哺乳動物細胞世界及其在研究實驗室和臨床環境中的潛在應用產生了重大影響。一個很好的例子是細胞編碼公司 bit.bio，該公司通過其細胞身份編碼平台“設計生物學”。“原則上，細菌和哺乳動物系統非常相似，因為它們有三個共同點：我們可以讀取它們的基因組，寫入它們的基因組（例如，通過 CRISPR-Cas9 技術），還可以執行它們的‘程序’ ，即它們的遺傳密碼或基因組。生命本質上運行著自己的軟件腳本，編碼在 DNA 中，然後被轉錄和翻譯，”bit.bio 的創始人兼首席執行官 Mark Kotter 博士說。“我們的重點是通過基因組在細胞的信息層進行編程，
opti-ox 技術是該公司細胞身份編碼平台的核心部分，它通過“破解 DNA”克服了一個稱為基因沉默的常見問題。“通常，細胞知道與當前狀態不一致的基因或轉基因正在被激活。它的自然反應是再次使其靜音。為此，細胞已經發展出許多不同的機制，其中許多機制尚未被科學界完全理解。” bit.bio 的目標是繼續開發並將其技術應用於人類健康：“這將使我們能夠對細胞進行編程，使它們在製造過程中表現出一致性，這反過來又有助於製定標準並開闢新的領域研究和藥物發現的途徑，”他補充道。可能的應用幾乎是無限的，Kotter 強調：“它可能有助於製造用於基因治療的細胞系，或用於 RNA 的生產——實際上，它可以用於生產每個人類細胞，每個細胞都是一種潛在的藥物——對人類健康及其他方面產生重大影響” 該公司已經在市場上擁有多種由 opti-ox 技術提供支持的人體細胞產品和疾病模型。一系列細胞療法也在進行中。
目前有如此多令人興奮的技術正在開發和用於合成生物學，未來看起來同樣令人興奮。Roghi 解釋了微生物組的未來潛力：“‘設計師微生物組’的系統設計的創建需要自動化、基因組編輯、高通量生物分析和機器學習的融合，以通過迭代設計構建快速開發和測試微生物組的特定功能-測試學習週期。由於微生物相互作用的巨大復雜性和絕大多數微生物的不良表徵，這種方法需要戰略和協作努力，其中需要此類信息來實現微生物組的精確工程，用於生物製造、資源回收和其他應用。
從 Mischel 的角度來看，她看到了一個領域的影響，該領域從抗擊 COVID-19 的研究中受益匪淺——mRNA。“我希望看到更多的 mRNA 平台（包括用於 CRISPR 遞送）以及 RNA 和 DNA 疫苗。”
其他方向包括藥物個性化和下一代測序 (NGS)，正如 Leproust 指出的那樣：“需要開發許多療法來治療每位患者獨特的癌症或其他疾病。借助合成生物學工具，研究人員可以在每次實驗中產生數千個抗體克隆，從而為他們開發針對患者的靶向療法提供更多選擇。NGS 工具可用於識別感興趣的遺傳區域並監測治療後的微小殘留病。”
Kotter 概述了創建多功能細胞的機會：“可以結合不同細胞類型的特徵來製造自然界中實際上不存在的細胞，這些細胞具有非常特殊的特性。我目前知道的一個例子是與巨噬細胞具有共同特徵的 T 細胞。” 他說，該領域的改進與再生醫學領域有關。“將每一個細胞視為一種可能的藥物的可能性確實為再生醫學開闢了更多機會。在過去的 30 年裡，研究人員一直致力於尋找替代器官或保護它們免受衰老和疾病侵害的解決方案，但傳統生物學尚未能夠提供許多可行的結果。憑藉我們處於科學前沿的技術，
文章作者-Emma Easthope
Emma Easthope 是總部位於英國的 Cambridge Technical Content Ltd 的創始人兼董事。自 2000 年從坎特伯雷的肯特大學獲得生物學學士學位以來，她在包括 Millennium Pharmaceuticals、Millennium Pharmaceuticals、阿斯利康和 Cellzome。她現在製作範圍廣泛的科學內容，包括 Biocompare 的常規功能。
