从大自然中汲取灵感，合成生物学为改变医学的未来提供了令人兴奋的机会。
合成生物学领域汇集了工程师、物理学家和分子生物学家，利用工程原理来建模、设计和构建合成基因电路和自然界中不存在的其他分子成分。然后，研究人员可以将这些生物部件拼凑在一起，重新连接和重新编程活细胞，或者构建无细胞系统，使其具有各种应用的新功能。
“对我来说，合成生物学最令人兴奋的事情是发现或看到生物体解决问题的独特方式，”他说大卫Riglar亨利·戴尔爵士是伦敦帝国理工学院的研究员。“这为我们提供了机会，让我们可以做一些非生物替代品无法做到的事情。”
科学家们正在利用合成生物学的力量开发各种医疗应用——从强大的药物生产平台到先进的治疗方法和新型诊断方法。
“通过将生物学作为一门工程学科，我们现在开始创造可编程药物和诊断工具，这些工具能够感知我们体内的信息并对其做出动态反应，”他说吉姆·柯林斯他是麻省理工学院医学工程和科学的Termeer教授。
这些新药物可以被赋予合成元素，可以控制其活性的定位、时间和剂量。这在灵活性、特异性和可预测性方面比传统治疗方法具有显著优势，为精准医疗打开了令人兴奋的机会。
利用自动RNA归一化和板设置提高qPCR的可靠性
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合成生物学的工具箱
近年来，DNA测序和合成的成本迅速下降-以及基因编辑技术的发展，如CRISPR-Cas9-使研究人员能够设计具有独特和日益复杂功能的生物系统。
“这些工具的结合为我们提供了前所未有的机会，将合成生物学应用于研究生命系统，并了解它们是如何工作的，”Riglar说。
合成生物学的基本前提是，生命系统可以被分解成一个由单个组件组成的库。然后，工程学原理被用来设计和构建这些生物部件到各种各样的工业、农业、制药和环境应用的新系统中。但在实践中，这些生物工程方法并不总是那么简单。
柯林斯解释说:“有两大挑战——第一个是我们仍然没有一套广泛的生物学设计原则——这意味着它的复杂性仍然会阻碍我们最好的设计计划。”“其次，我们的生物部件库仍然相当贫乏——在过去20年里，只有几十个被重复使用和重新利用。我们需要通过合成和生物采矿的努力来大幅扩展这个工具包。”
为了推动未来的进步，合成生物学家开始利用机器学习方法——它可以用来帮助设计，例如通过生成新的组件或建议进行最佳实验。
肠道生物传感器
近年来，大量研究表明，生活在我们体内和体表的数万亿微生物对保持身体健康起着至关重要的作用。这些在很大程度上下一代测序方法可以提供物种类型和丰度的快照在这些微生物群落中，绘制健康和疾病状态bet188真人之间的关系。研究结果揭示了破坏与人体肠道菌群以及许多不同的疾病，包括炎症性肠病、癌症和神经发育障碍。但需要其他实验方法来了解肠道微生物群和宿主之间相互作用如何影响人类健康和疾病的潜在机制。
Riglar说:“研究肠道最具挑战性的事情之一是它很难接近。”“这就是为什么目前对宿主和微生物群之间来回相互作用中发生的事情的理解非常有限。”
合成生物学的进步使研究人员能够创造出能够感知、记录和报告肠道内发生变化的工程益生菌。利用这种方法，Riglar的团队已经生成了可以作为炎症的现场诊断——或者习惯测量炎症反应中的细菌动态和微生物群的潜在变化在老鼠的肠道里。
在短期内，这些活体生物传感器将帮助研究人员更好地了解疾病过程，以揭示可以用传统治疗方法靶向的途径。但长期目标是开发用于临床应用的工程细菌，例如监测肠道的变化，从而揭示疾病的存在。例如，Collins的小组最近展示了利用工程菌株的潜力Lactococcus lactis这是一种发酵食品中常见的细菌，可以作为一种活的诊断方法，帮助改善霍乱暴发风险人群的疾病监测。
先进的治疗
研究人员还将合成生物学应用于工程活细胞和无细胞系统，这些系统可以感知我们体内的信息并对其做出动态反应，从而将我们推向可编程药物的时代。
抗生素不仅针对引起感染的细菌，而且还可以改变肠道菌群，从而导致腹泻，并导致抗菌素耐药性的出现和许多慢性疾病的发展。为了克服这些问题，柯林斯的团队设计了一系列的l . lactis这可以降解肠道中一类广泛使用的抗生素．当与抗生素一起给小鼠服用时，这有助于保护肠道微生物群，同时保持血液中的抗生素浓度不变。
柯林斯说:“通过应用合成生物学，我们设计了一种有可能帮助对抗抗生素使用的潜在负面影响的活疗法。”
进一步的临床发展路径是苯丙酮尿症(PKU)是一种罕见的遗传病．患有这种疾病的儿童无法分解苯丙氨酸，苯丙氨酸会在他们体内积聚并导致大脑损伤。作为蛋白质限制饮食的一种替代方案，研究人员已经设计了可以在肠道内降解这种氨基酸的细菌。积极的由生物技术公司Synlogic领导的第二阶段试验研究的主要结果证明这种活性疗法可以成功降低血液中的苯丙氨酸水平，这表明它有可能成为PKU患者的变革性治疗方法。
研究人员还利用合成生物学来设计不使用活细胞的新疗法。许多RNA-based疗法是编码治疗性蛋白质的信使rna (mRNAs)，但仅针对导致疾病或受疾病影响的细胞的基因表达被证明是一个主要障碍。为了应对这一挑战，柯林斯的团队开发了etoehold，一种小型可编程开关，可以构建到RNA序列中针对特定的细胞类型或状态(如病毒感染的细胞)生产蛋白质。
Collins兴奋地说:“这个系统提供了无与伦比的可编程性和灵活性，为设计RNA疗法提供了大量的机会，这些疗法只在需要的细胞中被激活，降低了不必要的副作用的风险。”
解决全球挑战
在生物学和工程学的界面上，合成生物学将成为本世纪占主导地位的医学技术之一。
柯林斯说:“在这个领域工作是一个令人兴奋的时刻。“我希望在未来十年左右的时间里，我们将看到新的治疗方法和诊断方法对世界各地的人们的生活产生广泛的影响。”
但是合成生物学的潜力远远不止于改善人类健康，因为这些技术的应用还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挑战。
柯林斯说:“我认为，将工程原理应用于已经进化了数十亿年的生命系统，可以为人类提供一个真正的优势，以应对我们面临的一些生存挑战。”
