支持治疗和合成生物学的发展

合成生物学的应用已经在过去十年中迅速扩展由于成本的降低,并提出,DNA合成和测序,改善基因组的知识组织和增加使用科学的数据。它可以用来工程师新生物系统或重新设计现有的几个目的表现出理想的属性和新功能在各种领域,包括诊断、制造业、农业和疗法。

疗法的发展费时,昂贵的和具有挑战性的过程。的累积成功开发一种药物,既有效又安全,从第一阶段到发射很低(~ 90%达到的候选药物早期临床发展失败)。因此,有伟大的动机在药物开发利用合成生物学的承诺,增加治疗的机会使其市场,所以它可能受益患者在现实世界的环境。本文将讨论如何合成生物学原理可以应用在治疗的不同阶段发展——从阐明疾病机制和确定生产大规模治疗药物靶点。

发现天然产物通过识别小说基因簇

天然产物化合物的药理和生物活性,是由生物体在自然界和可以作为新药的来源。天然产物是更复杂的比化学合成药物分子。然而,越来越多的相关研究是解决挑战他们的隔离,优化和合成。

“天然产物是药物发现历史上无与伦比的来源。然而,他们的可访问性低,供应和模拟合成等问题,防止他们[使用]在制药企业药物研发。因此,我们的动机是开发方法解决上述问题,使我们能够有效地使用天然产物药物发现利用合成生物学的方法,”说Teigo Asai,制药科学研究生院教授在东北大学。

合成生物学方法可以搭配 基因组挖掘 发现新颖的生物合成基因簇从天然药物产品。



利用合成生物学,Asai和同事 确认 真菌是一种丰富的多样的天然产品,可以挑战在大量生产化学。一个例子是decalin-containing二萜pryones (DDPs),一种meroterpenoid自然产品,这表明承诺对癌细胞的增殖活动。

使用基因组挖掘,研究小组发现公认的DDP真菌基因簇,设计五个途径与集群和重建他们逐步在异种的主持人:丝状真菌米曲霉NSAR1。这些生物合成基因簇是源自nonculturable生物,因此不同的表达在一个既定的主机是必要的。用于生成良好的合成生物学也至关重要 底盘生物 ,就像米曲霉,可以转基因促进药品生产。

Asai等人引入额外的修饰酶这些途径生成22 DDPs 15没有之前报道的类似物。最后,他们测试了DDP类似物,发现候选人能够抑制癌症干细胞的增殖,抑制艾滋病毒和防止淀粉样β蛋白的形成。讨论合成生物学的力量,在这种背景下,Asai说:“在这项研究中,我们展示了基于重新设计组合生物合成的生物合成途径便于合理扩大生物活性天然产物的化学空间。我们还表明,发现生物活性分子的图书馆是非常有用的。”

相同的领导的研究小组最近Asai真菌基因组进行挖掘,发现一个公认的大环内酯物(一个类天然产物)生物合成基因簇。使用振动光谱和水晶海绵的方法来确定产生化合物的立体化学,他们提议其生物合成途径。本研究进一步表明,通过合成方法,细胞可以遗传转化生产结构复杂的生化分子。

Asai阐述,“我们正在扩大我们的方法,其他类型的天然产物构造一系列天然产物库找到药物尤其是难治性癌症和“种子”棘手的传染病。此外,我们还发现和生产天然产物与小说结构和生物活性的基因资源利用合成生物学方法。”

可伸缩的基因组工程如何改善结果与一个自动化的工作流

我们依靠的许多药物对人类和动物健康是基于化合物来源于自然,通常很难找到,很难提取或不同纯度的天然来源。这些限制会阻碍生产和威胁获得急需治疗。发现自动下载该电子书台式系统,允许你设计、工程师、评估和跟踪编辑结果虽然很容易被集成到工作流。

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验证治疗靶点

合成生物学的一个最有价值的工具在目标定期验证集群空间短回文的重复中科院(CRISPR中科院)基因组编辑,收到了2020年诺贝尔化学奖。

使用CRISPR基因组编辑方法,研究人员创造了更多的生理和disease-relevant细胞系,提高药物发现的目标验证步骤之前,临床前和临床的发展。此外,使用 arrayed-CRISPR库 ,研究人员也进行了大规模的全基因组筛查基因切除并确定他们的角色在细胞生理和疾病的发展(如癌症)。

一项研究发表在 科学转化医学 证明了一些试验性的治疗靶点抗癌药物对肿瘤的生长,尽管实际上是不必要的 先前的报道使用RNA干扰和小分子抑制剂。研究人员利用CRISPR-Cas9-based方法研究癌症治疗药物的相互作用在不同的发展阶段。他们发现药物的疗效的影响损失的目标,这表明最初的基因误判为目标。

CRISPR基因编辑也可以用来识别突变 带来阻力 药物。 洛克菲勒大学的Corynn Kasap和他的同事开发了一个方法,结合CRISPR-Cas9基因组编辑与大规模筛选调查等抗癌疗法的作用机制 ispinesib 选择性小分子抑制剂、细胞毒性药物YM155 (sepantronium溴铵)。在这一过程中,他们能够探索,使用癌症细胞系,是否可能导致耐药的机制。他们的发现发表在 化学生物学性质 。

优化药物疗效

作为开发过程的一部分,一种药物复合认定有治疗价值随后精炼生产化合物有更高的强度和更好的选择性 作为的一部分hit-to-lead和铅优化。这可以通过使用 药物化学 通过迭代轮化学修改更好地理解结构活性和代谢稳定性的关系。定向进化基于突变(如容易出错的聚合酶链式反应)和选择通常是用作方法进化基因编码的蛋白质等分子。一些最近开发的定向进化包括合成生物学工具 在活的有机体内连续进化 在酵母中, CRISPR-activation-induced胞嘧啶核苷脱氨酶 (援助)和 OrthoRep 基于正交DNA-polymerase-plasmid一对。

快速工程酵母使用合成植物代谢途径的基因片段

植物的药物容易短缺,因为他们agriculture-based供应链容易受到地缘政治和环境因素。重建这些药物的生物合成在一个可伸缩的生物像面包酵母将提供一种经济替代种植栽培,是区域和全球中断和弹性可伸缩以满足全球需求。下载这个应用程序报告发现基因片段克隆屏幕可以减少所花费的时间和删除工程工作流程的一个关键瓶颈。

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大规模生产疗法

候选药物的可伸缩的生产将其市场是至关重要的。CRISPR技术可能是有用的基因工程师底盘等微生物埃希氏杆菌属 杆菌和真菌,可以在生物反应器大规模培养。酵母通常选择的“底盘”药物发酵,因为他们拥有几个有利的特点,例如,他们可以举办一个广泛的遗传工具,需要廉价的增长媒体蓬勃发展。斯坦福大学的研究人员塞拉斯和克里斯蒂娜·斯默克教授,最近在自然,使用酵母生物合成平台促进托烷生物碱衍生物的发现。托烷生物碱蕴含着巨大的希望作为神经系统疾病的治疗药物。

虽然合成生物学技术建立在酵母,CRISPR-based遗传工具包为哺乳动物细胞工程开发不易适应等微生物大肠杆菌。



Eriko Takano, 曼彻斯特大学的合成生物学教授和他的同事们最近 构造 CRISPR-Cas12a工具包,可以整个代谢途径等大型DNA片段整合到宿主基因组(8.4 kbp)在一个单一的步骤。这项技术也可以删除或基因组集成效率约为80%和50%,分别没有遗传标记的使用,增加了质粒大小。此外,强大的目标基因的转录镇压发生在一个克隆效率> 90%的一步。

“我的小组研究代谢工程链霉菌属coelicolor对抗生素生产。这样做有效,我们需要快速添加和删除大量的基因。为此新CRISPR-Cas9方法将是完美的,因为它是有效的,但最初它并不工作美国coelicolor因为它需要小心每个菌株的优化。在报纸上我们展示的优化可以通过微调Cas9表达式。我们发现了高水平的Cas9表达式可以成为一些细菌的毒性,如美国coelicolor,而过低的水平阻止系统功能,并确定了特有的甜点Cas9表达式在每种情况下,”说 Takano 。合成生物学是引领一个新时代的生物制造使用改变了微生物作为“化工厂”。

“目前,我们正在扩大这个CRISPR-Cas9系统其他的亲戚美国coelicolor,包括稀有放线菌,这是一个丰富的储层新型抗生素。能够应用这些高效的基因组编辑方法广泛的不同的物种将给我们更快的访问这些新的化合物,加速我们的管道不同的次生代谢产物生物合成基因簇的表达,”Takano补充说。

发酵肉汤样本的快速定量分析

合成生物学的目的是微生物工程师创建所需的产品;因此,优化生产效率必须通过选择适当的环境条件和最高的生产菌株的生物。下载这个程序注意发现系统,实现高通量筛选,需要最少的样品制备和支持小之间的分化产物浓度差异。

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挑战和结论

尽管合成生物学治疗发展的承诺,重要的是要承认一些剩余的 挑战 。首先,基因模块可以挑战标准化和不能简单地“插入和播放”在各种细胞系统。这是进一步复杂化如何建模底盘生物的理解不足。因此,努力指向能够构建一个细胞“自下而上”通过识别基因细胞生存所需的最小集合。其次,基因电路引入细胞可能不是永久的和稳定的环境影响。这可能导致批次可变性,这可能妥协药物评估和生产。

第三,除了编码基因,非编码元素,也在调节基因表达中发挥作用;然而,这个过程需要进一步研究。最后,不像一个工程系统,部分可以很容易地转移和轻微的修改,在底盘有机体生物组件可能不会轻易转让,因为他们通常非正交的,可以与基因相互作用,蛋白质和代谢物的底盘。

概述,合成生物学治疗的发展,是一个有前途的工具在chemically-synthesized和生物疗法。随着合成生物学“工具箱”继续扩大,和挑战是解决,我们可以期待这种方式释放其影响治疗的发现和发展的几个阶段。