“認(rèn)識(shí)生命的鑰匙”——合成生物學(xué)進(jìn)展小盤點(diǎn)
（一）藻類蛋白質(zhì)研發(fā)新冠抗體檢測試劑
新型冠狀病毒之所以肆虐爆發(fā)，一方面在于其快速感染性，另一方面則是現(xiàn)有技術(shù)對檢測、控制能力不足以滿足全球需求，特別是蛋白質(zhì)類檢測試劑，現(xiàn)有的動(dòng)物體培養(yǎng)技術(shù)難以在目前特殊時(shí)期下快速滿足使用需要。于是極富創(chuàng)造力的合成生物學(xué)家們開始另辟蹊徑。據(jù)Western News報(bào)道，加拿大研究人員正在開發(fā)將藻類作為生產(chǎn)工廠，來制造相關(guān)的蛋白質(zhì)用以識(shí)別新冠病毒。
新冠病毒模型
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
（二）水凝膠培養(yǎng)微生物系統(tǒng)
如果加拿大研究團(tuán)隊(duì)的成果讓你認(rèn)為藻類的培養(yǎng)都是極其容易的，那小編只能說你對藻類的認(rèn)識(shí)還是太淺顯了。就和微生物培養(yǎng)一樣，盡管我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見微生物（發(fā)霉的面包、腐爛的蘋果……），但真的要培養(yǎng)好微生物，那也是困難重重。
目前大多數(shù)微生物的培養(yǎng)都依賴于懸浮發(fā)酵技術(shù)，但是這種技術(shù)不易攜帶、不可重復(fù)使用且產(chǎn)物不適合按需生產(chǎn)。因此，研發(fā)一種新型的微生物培養(yǎng)系統(tǒng)顯得尤為重要。
針對傳統(tǒng)懸浮發(fā)酵技術(shù)對于微生物培養(yǎng)的缺點(diǎn)，美國德克薩斯大學(xué)Hal S. Alper團(tuán)隊(duì)在Nat Commun期刊上的給出了他們相關(guān)的研究進(jìn)展[1]，該研究設(shè)計(jì)了一種水凝膠系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是在水凝膠中對微生物進(jìn)行分區(qū)和共培養(yǎng)，并可以對微生物進(jìn)行生產(chǎn)所需產(chǎn)物的操作。水凝膠不僅可以對微生物提供一定的保護(hù)作用，使其在超過1年的重復(fù)使用中還能夠維持一定的功能，而且在該系統(tǒng)中微生物的生產(chǎn)效率優(yōu)于傳統(tǒng)的懸浮發(fā)酵培養(yǎng)技術(shù)。水凝膠系統(tǒng)培養(yǎng)微生物，不僅保障了微生物穩(wěn)定的生長環(huán)境，更有利于培養(yǎng)體系中成分物質(zhì)的活性保持，期待該技術(shù)盡早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
水凝膠系統(tǒng)相關(guān)培養(yǎng)方式
（圖源：Nat Commun期刊）
（三）合成生物學(xué)結(jié)合AI發(fā)掘新抗生素技術(shù)
微生物不僅有培養(yǎng)難易之分，更有對人體利害之分。對于那些頑固侵害健康的微生物，合成生物學(xué)家們結(jié)合前沿的AI技術(shù)，創(chuàng)造了一種更高效的解決方案。
舉個(gè)例子，小明因?yàn)椴恍⌒母腥玖艘环N病菌微生物A而生病了，在常規(guī)醫(yī)療下，使用抗生素A就可以快速殺死病原體而使癥狀消失。但不巧的是，由于小明本身體質(zhì)和早期用藥習(xí)慣等原因，前期多次使用該抗生素A進(jìn)行自身治療，無形中導(dǎo)致了微生物A在他體內(nèi)對抗生素形成了抗藥性，這讓小明痛苦不已。
除了自然選擇和等待漫長的新藥研發(fā)，難道對抗藥性問題就沒有其他解決方案了么？
美國麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)于Cell期刊上發(fā)表了一項(xiàng)新的研究進(jìn)展[2]，該研究提供了一種將合成生物學(xué)與計(jì)算機(jī)AI相結(jié)合的方法，通過對既有數(shù)據(jù)的分析建立相應(yīng)的模型，依托計(jì)算機(jī)AI技術(shù)，對模型就行大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測，從而尋找發(fā)掘新型的、個(gè)性化的抗生素分子。該技術(shù)不僅為解決全局性抗藥耐藥問題提供了思路，更為未來定制化醫(yī)療提供了重要方向。
結(jié)合AI發(fā)掘新抗生素技術(shù)
（圖源：Cell期刊）
（四）基因重組改造的噬菌體用于檢測李斯特菌
區(qū)別于麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的“事后抗生素”解決方案，Susanne Meile等則提出了一個(gè)全然不同的思路。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)在在Appl Environ Microbiol期刊上發(fā)表的研究結(jié)果[3]，他們使用基因重組技術(shù)改造了一種噬菌體，可用于檢測李斯特菌（Listeria monocytogenes），李斯特菌會(huì)引起食源性疾病，因此對其的檢測尤為重要。噬菌體作為一種細(xì)菌病毒，能以細(xì)菌為宿主，進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，而這種經(jīng)過基因重組改造的噬菌體能夠在進(jìn)入李斯特菌體內(nèi)后呈現(xiàn)相應(yīng)的指標(biāo)，方便檢測病菌。這就使得病原體在進(jìn)入生物體內(nèi)前就得到了有效控制，無需再使用額外的抗生素進(jìn)行補(bǔ)救式治療。
噬菌體進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)過程
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
（五）合成生物學(xué)技術(shù)的多元化應(yīng)用
作為合成生物學(xué)的重要基礎(chǔ)性技術(shù)，基因重組技術(shù)不僅僅能用于噬菌體的改造，它更大的價(jià)值在于讓微生物具備更強(qiáng)的商業(yè)化生產(chǎn)能力。通過將特定化合物合成所需的最小基因信息導(dǎo)入到廉價(jià)易培養(yǎng)的微生物中，不僅降低了單位產(chǎn)量成本，還提升了單位時(shí)空的產(chǎn)出效率。
基因就是未來產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)力，如中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院專家團(tuán)隊(duì)在ACS Synth Biol期刊上發(fā)表的相關(guān)研究[4]，描述了一種基因重組的大腸桿菌，這種大腸桿菌能夠自主合成具有重要藥用價(jià)值的天然分子——藏紅花素。傳統(tǒng)獲取藏紅花素僅能依靠番紅花植物種植提取，種植對于自然資源的依賴及收獲后二次加工提取的成本等導(dǎo)致藏紅花素?zé)o法真正商業(yè)化量產(chǎn)。而利用基因重組技術(shù)，既降低了成本，又加快了生產(chǎn)速度，這是藏紅花素合成的重大突破。
合成生物學(xué)中有許多有關(guān)生物的改造的技術(shù)，除了基因重組，還能夠直接對細(xì)胞進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使其達(dá)到我們預(yù)想的效果，如瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)等國際研究團(tuán)隊(duì)于Science期刊發(fā)表研究進(jìn)展，其研究團(tuán)隊(duì)工程化地改造了人胰島β細(xì)胞，將細(xì)胞與外界交換物質(zhì)的兩種通道組合，得到了一種可以受到電刺激而分泌胰島素的工程化細(xì)胞，且這種細(xì)胞不會(huì)受到血糖濃度的影響，可利用電刺激主動(dòng)調(diào)節(jié)胰島素的分泌，實(shí)現(xiàn)了對胰島素合成和釋放的精準(zhǔn)調(diào)控，為糖尿病等相關(guān)疾病的治療提供了一個(gè)新的方向。
糖尿病相關(guān)機(jī)制
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
不僅僅是改造，科學(xué)家們還做到了人造的層次，據(jù)德國馬普所和法國波爾多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于Science期刊發(fā)表的研究來看，他們開發(fā)了一種自動(dòng)化人造葉綠體組裝平臺(tái)，該研究做到了兩點(diǎn)創(chuàng)新，其中一點(diǎn)是將合成生物學(xué)與納米微流控技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)合成出了細(xì)胞大小的液滴，能夠直接作為葉綠體進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣、葡萄糖等物質(zhì)；另外一點(diǎn)是自動(dòng)化的人造葉綠體組裝平臺(tái)，該平臺(tái)在生產(chǎn)時(shí)可以調(diào)整其中的一系列條件，最終根據(jù)人們的需求合成相應(yīng)的物質(zhì)。這一研究將來幾乎可以應(yīng)用于所有領(lǐng)域，如材料科學(xué)、生物技術(shù)以及醫(yī)學(xué)等。
可進(jìn)行光合作用的細(xì)胞大小的液滴
（圖源：Science期刊）
（六）一種新型的PET水解酶
不論是細(xì)胞改造還是基因重組，都離不開相應(yīng)的工程酶的作用，同樣的，我們生活中的許多方面也離不開酶的作用，比如在胃中助消化的胃蛋白酶、在某些化學(xué)反應(yīng)中當(dāng)做催化劑的酶等等，這些酶都是已經(jīng)存在的，那么能不能自己設(shè)計(jì)創(chuàng)造一種酶呢？
根據(jù)上述的想法，V. Tournier在Nature期刊中發(fā)表的研究[5]為我們的疑惑作出了解答了，該研究經(jīng)過工程設(shè)計(jì)創(chuàng)造出了一種新的PET水解酶。PET是全球每年生產(chǎn)最為豐富的一種塑料，對于PET的分解、降解一直是許多人希望能夠做到、做得妥善的事情，而對于PET水解酶的研究設(shè)計(jì)也不曾停止過，只是以往設(shè)計(jì)創(chuàng)造的PET水解酶效率較低，而該新型的PET水解酶在10小時(shí)內(nèi)最終實(shí)現(xiàn)了至少將90％的PET進(jìn)行降解，優(yōu)于迄今為止報(bào)道的所有PET水解酶，同時(shí)新型的PET水解酶還能在塑料加工完成前對其進(jìn)行降解回收，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用理念。
分子水平下的PET水解酶
（圖源：Nature期刊）
小結(jié)
合成生物學(xué)總體而言就是從生活中來，到生活中去，許多生活中發(fā)現(xiàn)的、發(fā)生的物質(zhì)或事件都有可能給合成生物學(xué)帶來發(fā)展的空間，例如生活垃圾塑料，就促使的塑料水解酶的發(fā)展，又如對于某種東西的需求，那么基因工程改造的微生物就能夠達(dá)到高產(chǎn)等等。因此，對于這一行業(yè)來說，我們不僅僅要關(guān)注科技前沿的技術(shù)發(fā)展，也需要關(guān)注自身及他人的情況，確定某一樣?xùn)|西是否值得去做，是否能夠做到，讓靈感從生活中激發(fā)，將成果置于生活中使用。
參考文獻(xiàn)
[1] Johnston T G , Yuan S F , Wagner J M , et al.Compartmentalized microbes and co-cultures in hydrogels for on-demandbioproduction and preservation[J]. Nature Communications, 2020, 11(1):563.
[2] Stokes J M , Yang K, Swanson K , et al. A Deep Learning Approach to Antibiotic Discovery[J]. Cell,2020, 181(2):475-483.
[3] Meile S , Sarbach A, Du J , et al. Engineered reporter phages for rapid bioluminescence-baseddetection and differentiation of viable Listeria cells[J]. Applied and EnvironmentalMicrobiology, 2020.
[4] Pu X , He C , Yang Y, et al. In Vivo Production of Five Crocins in the Engineered Escherichiacoli[J]. ACS Synthetic Biology, 2020.
[5] Tournier V , TophamC M , Gilles A , et al. An engineered PET depolymerase to break down andrecycle plastic bottles[J]. Nature, 2020, 580(7802):216-219.
