合成生物学最新研究进展

合成生物学涉及生物系统的创造或重新设计，使它们具有新的能力。这一多学科的科学领域汇集了工程师和生物学家，他们正在开发这些有用的系统，涉及包括诊断、治疗、制造和农业在内的众多领域。

在这里，我们仔细看看合成生物学的一些最新发展和应用。

基因关闭开关扩展合成生物学工具箱

为了推进诊断学、生物生产疗法和精细化学品的发展，合成生物学家正在构建人工基因网络和模块化调控元件。这些网络随后被引入细胞，并能“感知”细胞内的生物信号和/或化学物质。它们也能对这些刺激做出反应。

哈佛大学威斯研究所和亚利桑那州立大学的研究人员开发了一种“核糖体计算设备”，能够同时感应多种生物RNA信号，就像一个“分子逻辑板”。在接收到特定的信号组合后，该设备被设计为“激活”，产生所需的蛋白质。该团队还发明了一种设备，可以有效地完成完全相反的任务——它可以在特定刺激下关闭蛋白质的表达。

“我们的阻遏开关设备为合成生物学工具箱添加了新的功能，供研究人员设计合成生物电路。”说共同通讯作者殷鹏教授。“它们有可能在下一代诊断、环境报告以及生物制造等不同领域引入更复杂和准确的应用。”

发表:Kim, J, Zhou, Y, Carlson, PD等。用于多输入细胞逻辑的从头设计的翻译抑制核调节器。Nat Chem Biol2019; 15:1173 - 1182。doi:10.1038 / s41589 - 019 - 0388 - 1

探索合成生物学革命

迈克尔•朱厄特西北大学合成生物学中心主任，他和同事们最近报告了无细胞工程如何从一种研究工具演变为合成生物学众多应用的中心支柱，并对许多领域产生潜在影响。

朱厄特等。成功开发了一种高产的“一锅”无细胞蛋白合成方法，基于基因编码的菌株大肠杆菌。该方法旨在产生迄今为止最高的蛋白质批量反应表达率，并能够用非规范氨基酸合成蛋白质，为开发新型酶和治疗方法铺平了道路。

朱伊特说:“通过拥有一个能够在一锅锅中实现高水平基因表达的平台，这个过程变得更加民主化。说。“这很令人兴奋，因为它有望使其他实验室更容易使用无细胞基因表达系统。”

出版:Silverman, AD, Karim, AS & Jewett, MC细胞无基因表达:扩展的应用程序。Nat Rev Genet。2020; 21:151 - 170。doi:10.1038 / s41576 - 019 - 0186 - 3

深度学习在合成生物学上有了“立足点”

哈佛大学威斯研究所(Wyss Institute at Harvard University)的数据科学家和麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的合成生物学家合作设计了一个系统，该系统可以导航管理生物有机体的复杂指令集，使他们能够设计出解决生物问题的创新方案。该系统利用了机器学习、神经网络和其他算法架构的综合计算能力。

该团队专注于一类被称为“立足点开关”的特定工程RNA分子。在它们的“关闭”状态下，开关被配置成发夹结构，然而，当互补的RNA链与附着在发夹上的“触发”序列结合时，结构展开并“激活”。展开的RNA暴露了以前隐藏的可以被翻译的区域，因为核糖体现在可以成功地结合。立足点开关是控制基因表达的有力手段。

“计算机视觉算法已经非常擅长分析图像，所以我们创建了每个立足点开关所有可能折叠状态的类似图片的表示，并在这些图片上训练机器学习算法，这样它就可以识别出微妙的模式，表明给定的图片是好还是坏的立足点。”说 尼古拉斯Angenent-Mari威斯研究所(Wyss Institute)。

出版:angent - mari, NM。， Garruss, AS。， Soenksen, LR。et al。可编程RNA开关的深度学习方法。Nat Commun。2020; 11:5057。doi:10.1038 / s41467 - 020 - 18677 - 1

利用合成生物学检测饮用水中的有害氟化物

西北大学的合成生物学家设计了一种测试系统，可以检测饮用水中氟化物的危险水平。该系统的设计既简单又便宜，只需向试管中加入一滴水样，然后混合溶液——颜色变化(变为黄色)表示氟化物过量。试管中有一个基于RNA折叠机制的复杂合成生物学反应。

“RNA折叠成一个小口袋，等待氟离子，”解释西北大学朱利叶斯挚。“离子可以完美地装进这个口袋。如果离子出现，RNA就会表达一种基因，使水变成黄色。如果离子没有出现，RNA就会改变形状并停止这个过程。这实际上是一个开关。”

RNA反应在被添加到试管之前是自由干燥的，这使得它安全且易于保存。为了使反应再水化，加入20毫升的水，使用一个小的随附移液管，在大约2小时内达到结果。

出版:Thavarajah W, Silverman AD, Verosloff MS, Kelley-Loughnane N, Jewett MC, Lucks JB。通过无细胞核糖体开关生物传感器检测环境氟化物的使用点。ACS Synth Biol。2020; 9(1): 10 - 18。doi:10.1021 / acssynbio.9b00347

使机器学习算法适应合成生物学的需要

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们开发了一种新型工具，能够操纵机器学习算法来满足合成生物学的需求。使用有限的训练数据集，该工具可以预测细胞DNA或生物化学的变化将如何影响其行为。合成生物学家可以利用这种洞察力来设计具有所需行为和新功能的系统。

“可能性是革命性的。”说 赫克托·加西亚·马丁他是伯克利实验室生物系统和工程部的研究员。“目前，生物工程是一个非常缓慢的过程。人们花了150年的时间发明了抗疟疾药物青蒿素。如果你能在几周或几个月内创造出新的细胞，而不是几年，你就能真正彻底改变你在生物工程方面能做的事情。”

发表:radivojeviic, T, Costello, Z, Workman, K等。合成生物学的机器学习自动推荐工具。Nat Commun。2020; 11:4879。doi:10.1038 / s41467 - 020 - 18008 - 4