重新设计使用合成生物学医学

灵感来自大自然,合成生物学提供了令人兴奋的机遇转化医学的未来。

汇集工程师、物理学家和分子生物学家,合成生物学领域的使用工程原理模型,设计和构建合成基因电路和其他分子组件在自然界是不存在的。研究人员可以拼凑这些生物部分重建和重组活细胞或建立无细胞系统和各种应用程序的新功能。

“对我来说,合成生物学最激动人心的事是发现生物的或看到独特的方式可以解决一个问题,”说大卫Riglar伦敦帝国理工学院,亨利爵士戴尔研究员。“这给我们提供了机会去做事情,否则是不可能与非生物替代品。”

科学家们利用合成生物学的力量来开发各种各样的医疗应用程序——从强大的药品生产平台先进的疗法和新颖的诊断。

”接近生物工程学科,现在开始创建可编程的药品和诊断工具,能够感受到在我们的身体和动态响应信息,”说吉姆·柯林斯医学工程和科学领域教授麻省理工学院(MIT)。

这些小说医药产品可以赋予合成元素,可以控制定位,时机和剂量的活动。这提供了显著的优势,超过常规疗法方面的灵活性,特异性和可预测性——精密医学开启了激动人心的机会。

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合成生物学的工具包

近年来,快速降低成本的DNA测序和合成基因编辑技术的发展,如CRISPR-Cas9生物系统——使研究人员工程师具有独特和日益复杂的功能。

”的结合这些工具为我们提供了前所未有的机遇运用合成生物学研究生命系统和理解它们是如何工作的,”州Riglar。

合成生物学的基本前提是,生命系统可以分解为单个组件的库。工程原则是用于设计和构建这些生物部件到新系统为各种工业、农业、医药和环境的应用程序。但在实践中,这些生物工程的方法并不总是直截了当。

”有两大挑战——首先,我们仍然没有广泛的生物学设计原则——这意味着其复杂性仍能妨碍我们的最佳设计方案,”柯林斯解释道。“其次,我们仍然有相当乏力图书馆生物部件——几十个被重用的顺序和改造在过去的二十年。我们需要大幅扩大这个工具包通过合成和biomining努力。”

帮助推动未来的进展,合成生物学家开始利用机器学习的方法——可以用来帮助设计,如通过生成新的组件或建议最好的实验来执行。

肠道生物传感器

近年来,已经有大量的研究揭示,数以万亿计的微生物生活在和我们的身体在保持健康方面起着至关重要的作用。这些在很大程度上使用新一代测序方法提供的快照类型和物种的丰富性在这些微生物群落,健康和疾病之间的关系bet188真人。结果发现之间的联系中断了人类肠道微生物群和许多不同的疾病——包括炎症性肠病、癌症和神经发育障碍。但其他实验方法需要理解底层机制肠道微生物群和宿主之间的相互作用是如何影响人类健康和疾病。

“最具挑战性的事情之一研究肠道是很难以接近,“Riglar说。“这就是为什么目前非常有限的理解发生了什么在这些反复宿主之间的相互作用和微生物群。”

合成生物学的发展使得研究人员创建工程益生菌,可以感知,记录和报告变更发生在肠道。使用这种方法,Riglar的团队已经生成的生物传感器,可以作为现场诊断炎症——或者被用来测定细菌动力响应炎症和潜在的微生物群的变化在小鼠肠道。

在短期内,这些活着的生物传感器将帮助研究人员更好地了解疾病的进程,揭示通路,可以有针对性的与传统治疗方法。但是,长期目标是为临床应用开发改造的细菌,如监测肠道的变化,可以揭示疾病的存在。例如,柯林斯集团最近演示了使用的工程菌株的潜力Lactococcus lactis细菌通常存在于发酵食品,生活诊断能够帮助改善疾病监测人群中霍乱暴发的风险。

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先进的治疗

研究人员也将合成生物学应用于工程师活细胞和胞外信息系统能够感知和动态响应我们的身体——移动我们走向一个可编程的药物的时代。

抗生素不仅目标细菌引起感染,但他们也可以改变肠道微生物群——这可能会导致腹泻,导致抗生素耐药性的出现和许多慢性疾病的发展。为了帮助克服这些问题,柯林斯团队设计的应变l . lactis能降低肠道一类广泛使用抗生素。当给老鼠结合抗生素,这有助于保护肠道微生物群,让血液中的抗生素浓度不变。

“运用合成生物学,我们设计了一种生活治疗,有可能帮助对抗抗生素使用的潜在负面影响,”柯林斯说。

进一步在临床开发途径生活治疗一种罕见的基因疾病称为苯丙酮尿症(北大)。孩子出生时这种情况无法分解苯丙氨酸,可以建立在他们的身体而导致脑损伤。作为替代protein-restricted饮食,研究人员设计的细菌可能会降低这种氨基酸在肠道内。积极的营收的2期临床试验研究结果由Synlogic生物技术公司成功演示了这个生活治疗可以降低血液中的苯丙氨酸的水平,表明它有可能成为变革的北大患者治疗。

研究人员也使用合成生物学工程师小说没有使用活细胞疗法。许多RNA-based疗法信使核糖核酸(mrna)编码治疗蛋白质,但只针对基因表达这些细胞导致或影响疾病的一个主要障碍。应对这一挑战,柯林斯集团发展eToeholds,小型可编程开关可以内置一个RNA序列靶蛋白生产某些细胞类型或状态,如此外细胞。

“这系统提供了无与伦比的可编程性和灵活性——打开财富的机会设计中只有激活RNA治疗细胞需要的地方,减少不必要的副作用的风险,”柯林斯兴奋地说。

解决全球挑战

在生物学和工程学的接口,合成生物学将成为21世纪的主要医疗技术之一。

“这是一个激动人心的时刻是在这个领域工作,”柯林斯说。“我希望我们将看到新类的治疗和诊断,将有一个广泛的对世界各地人们的生活的影响在未来十年左右的时间。”

但合成生物学的潜力远远超出改善人类健康,这些技术的应用也可以帮助研究人员解决一些世界上最紧迫的环境和可持续性的挑战。

“我认为应用工程原则的想法生活系统已经经过数十亿年的进化可以为人类提供一个真正的优势来应对我们面临的一些存在的挑战,”柯林斯。