探索合成生物学革命

如果你问迈克尔•朱厄特西北工程潜在的无细胞基因表达一直是有道理的。扯掉墙上的细胞,收集其内部,教细胞催化剂生产新型分子和生物过程没有使用完整活细胞的进化约束。

但不到20年前,这一新兴行业在合成生物学仍有许多事情需要证明。

“人们认为我们疯了,”朱厄特说,化学和生物工程教授麦考密克工程学院。“当我还是个研究生,蛋白治疗的想法是如此的模糊。在最好的情况下,它是不符合成本效益足够有用,或系统不会产生足够的蛋白质来做任何值得的。”

在11月29日评论发表的论文在《自然》杂志上评论遗传学,朱厄特,西北的合成生物学中心主任,探讨如何通过工程从一个专业的骨干研究工具各种各样的应用程序在合成生物学,极大地影响社会,从环境医学教育。

现在,合成生物学所受的广泛兴趣。“商业产业如雨后春笋般在这些技术。授予机构看到的重要性,”他说。“时间无细胞系统在这里。现在。”

一个技术复兴

而无细胞基因表达作为研究工具已经超过50年,其变革的潜力已经被几个有限的约束,包括蛋白质合成和可变产量低,反应时间短,规模小的反应。研究人员还与反对怀疑控制细胞内反应环境仍然够不着。

然而,在过去的20年里,合成生物学研究人员逐渐剥离无细胞基因表达的潜在的窗帘,在实验室中发现新见解,导致新的效率和应用之外,从生物传感器测量和监测环境污染物的自然资源有针对性的疗法来治疗疾病。

朱厄特和合作者,例如,最近开发出一种高产锅胞外蛋白质合成平台源自基因上记录的大肠杆菌菌株。系统不仅是优化生产批反应表达产量最高的一种蛋白质,但这个平台可以与非规范制造蛋白质氨基酸,扩大可用化学基因编码的蛋白质,打开门来创建新的类型的酶,材料,和治疗。

“通过一个平台,使高层基因表达在一个锅使用,这个过程变得更加民主化,“朱厄特说。“这是令人兴奋的,因为它将希望方便其他实验室使用游离基因表达系统。

西北的

合成生物学的重要性已经游离,西北的合成生物学中心也是如此。在2016年推出的最聪明的人,提供一个支持生态系统研究和教育,迅速确立了自己作为一个中心颗粒系统研究和技术发展的领袖。

“中心有机合成生物学的主要中心之一,在美国,甚至全世界,”朱厄特说,查尔斯-迪尔岭麦考密克教授教学卓越。“随着我们的团队聚在一起,我们想研究主题,不仅连接我们,而且西北有一个特定的实力地位,无细胞系统出现了。”

最近的进步中心教师进一步推动工程游离的边界。朱厄特和米兰Mrksich,亨利·韦德罗杰斯教授,生物医学工程,例如,合作开发了一种方法来快速生成酶和分析他们的反应。系统,它结合了朱厄特的无细胞蛋白质合成技术与Mrksich SAMDI质谱平台,将帮助合成生物学家设计更复杂的分子比以往更快。

生物医学工程助理教授,令Kamat Neha最近展示了第一次使用系统选择性驱动聚变的游离脂质纳米粒子,一个新兴的药物传输载体——打开门新的和复杂的生化反应类型。丹尼尔Tullman-Ercek,化学和生物工程副教授,是发现新规microcompartment系统的功能像病毒一样,可以作为船舶提供蛋白质疗法源自系统游离到目标位置。约书亚·伦纳德,化学和生物工程副教授,研究合成生物学和系统生物学的接口实现设计驱动的药。今年早些时候,他主持第六届国际哺乳动物合成生物学研讨会托管在西北。

中心的工作还涉及了创业空间。Stemloop出生朱利叶斯挚走出实验室,化学和生物工程的副教授。公司运用挚的研究任务了解蜂窝系统感知和响应的环境中通过一个平台技术,包括一个专注于环境水质监测。朱厄特最近也开始SwiftScale Biologics寻求加速药物市场的到来颗粒系统的使用。

夏洛克生物科学,开始通过合成生物学中心顾问委员会成员詹姆斯·柯林斯,使用工程生物学平台创建更好、更快,负担得起的医疗诊断测试。

“技术可以应用在实验室解决社会问题,和公司新兴市场给他们一个公平交易,”朱厄特说。“人们认为一旦完全不可能被证明是可能的。”

是什么来的

未来十年将欢迎更大的里程碑,部分是由于不断增长的研究合作,朱厄特说。

西北正在与清洁能源启动LanzaTech和橡树岭国家实验室多年的能源部利用梭状芽胞杆菌,一种细菌,碳代谢,产生可持续的燃料。朱厄特和他的实验室,加入了基思•莫过化学和生物工程副教授,琳达Broadbelt,莎拉•丽贝卡·罗兰化学和生物工程教授使用计算设计算法和无细胞工程快速原型成千上万的潜在的生物合成途径的设计可以优化梭状芽胞杆菌的生物燃料的生产。

“什么将LanzaTech月工程师和测试,我们的实验室可以做几天,由于无细胞系统,”朱厄特说。

朱厄特还设想扩大合成生物学教育通过经验学习机会在初中和高中的教室。世界各地的数百所学校想把他套BioBits教育套件——与麻省理工学院和哈佛Wyss研究所——为科学课程。现在的交互式工具,用于几十埃文斯顿和芝加哥教室,让学生进行合成和分子生物学实验通过添加水和简单的冻干脱细胞试剂反应。

“这是至关重要的,我们给学生提供培训机会,所以他们兴奋新兴生物经济支持和贡献,”他说。

那读美国fda批准的首个治疗支持系统?随着企业提高工程的规模生产能力蛋白质,朱厄特希望工程疗法将进入诊所。

“fda批准的产品肯定会是一个分水岭,”他说,“我相信在接下来的十年。”

参考
亚当·d·西尔弗曼Ashty卡里姆,迈克尔·c·朱厄特。脱细胞基因表达:一个扩展的应用程序。自然遗传学评论》,2019;DOI: 10.1038 / s41576 - 019 - 0186 - 3。

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