合成生物学第二个十年:2010–2020年

合成生物学是本世纪最受关注的研究主题之一,并在2010年进入了青少年时代。但是,但与其说这是一个问题多多的时代,不如说我们看到了合成生物学蓬勃发展,并带来了许多新技术和里程碑式的成就。

2020年,合成生物学迎来了20岁生日。它的第一个十年看到了一些令人印象深刻的研究论文,很多有远见的想法和前所未有的兴奋,但它的第二个十年–从2010年到2020年–是真正需要用一些真正的成就来取代炒作的时候。那么它的表现如何呢?

这个十年有了一个良好的开端。回顾2010年,当年最大的合成生物学故事是J. Craig Venter研究所(JCVI)1一个团队完成了一个细菌基因组的完整合成。一项具有里程碑意义的成就表明,DNA合成和DNA组装可以扩展到兆碱基大小,从本世纪初开始就实现了一些最大的野心。但是,仅仅扩大DNA的结构还不足以实现该领域的许多其他野心。2010年还看到了“Five Hard Truths for Synthetic Biology”的发表,这是一篇重要文章,探讨了工程方面缺乏进展如何延缓了实现可靠性、标准化和自动化设计承诺的努力2。这些确实是该领域的问题,并在《自然通讯》的第一批合成生物学论文中得到了强调,该论文显示了当转移到不同的大肠杆菌菌株中时,强大的遗传逻辑门功能会失败3。是否可以解决诸如背景,噪音,负担和交叉反应之类的棘手的生物学问题,从而使我们能够像对电子电路进行连线一样对细胞进行工程设计?

这要归功于该领域许多人(尤其是麻省理工学院的Chris Voigt)开展的具有挑战性的技术生物学和生物工程工作,答案是肯定的。Nielsen等人在2016年发表了Cello,这是一种出色的端到端计算机辅助设计系统,用于在大肠杆菌中构建逻辑电路4。在过去十年的所有论文中,这对于铁杆合成生物学家来说可能是最令人满意的,因为它实现了许诺的生物学工程学,并且通过标准化,表征和自动化设计来实现。在本文之前的几年中,Voigt的团队不懈地致力于提供许多其他有关大肠杆菌的基础论文,这绝非偶然。合成生物学,为我们提供遗传零件的算法设计,以及零件库的专业特性。虽然很容易将重点放在合成生物学的许多重大成就上(图 1),但真正帮助该领域进行宣传的是比其他任何事情都重要的事情,这是许多艰苦的技术工作来改善我们对设计的理解。基因部分以及创新和新技术的发现使我们能够比以往更好地编写,构建,编辑和共享DNA代码(图 2)。

图1:2010年至2020年合成生物学的里程碑式研究成果。

图1:2010年至2020年合成生物学的里程碑式研究成果。

显示了十年的时间表,并简要总结了每年发布的一些关键研究里程碑。

图2:在过去十年中,加速了合成生物学的设计,构建,测试,学习周期的新的使能技术和工作方式。

图2:在过去十年中,加速了合成生物学的设计,构建,测试,学习周期的新的使能技术和工作方式。

该图显示了合成生物学(中心)中使用的工程周期,并附有动画片,说明了一些关键技术和工作方式,这些现在可以帮助加快周期的每个阶段。

的确,回顾十年来,最引人注目的是这些方法和工具已在那些工程寿命中发生了变化。许多小组仍然依靠iGEM竞争来交换其DNA部分。这些只能通过BioBrick克隆进行串行组装,而这些零件的性能数据很少可靠。建立基因构建体是一项缓慢的实验室工作,通常在加入细胞后会导致失败。严重缺乏并且一旦需要就将DNA构建体固定在细胞内的方法。因此,不足为奇的是,合成生物学小组最早在2011年和2012年出现了CRISPR等基因编辑技术。2006年以来,乔治·丘奇(George Church)的实验室一直在进行一个将每个TAG终止密码子突变为E的TAA的项目。大肠杆菌释放出额外氨基酸5的密码子,因此毫不奇怪,他们对开发能够精确改变细胞内DNA的任何技术都非常感兴趣。他的团队和他的前博士后发表于2013年的前两篇论文显示CRISPR被用于真核细胞,并在随后的几年中开发了CRISPR的许多进一步创新,包括基于CRISPR的基因驱动器。加利福尼亚的合成生物学团体也迅速将CRISPR变成了一种不仅仅是剪刀工具,发明了无处不在的dCas9作为DNA的可编程结合剂,以实现可定制的基因调控6

虽然毫无疑问,CRISPR 是生物科学领域的十年突破,但也许它的先驱TALENs(TAL-Effector核酸酶)在革新过去10年中合成生物学的变化方面值得更多的赞誉。对任何DNA序列进行模块化,可编程结合以及体内基因编辑方法的承诺,在2011年吸引了许多人使用这项新技术。但是,TALENs具有高度重复性,对于习惯于标准DNA克隆方法的任何人来说都是耳光。 ,PCR甚至Gibson Assembly。如果您想与TALENs一起工作,则需要购买大量合成的DNA,成为基于机器人的DNA组装自动化的专家,或者使用Addgene的Golden Gate Assembly TALEN克隆工具包。幸运的是,对于合成生物学,该领域的许多人尝试了一,二,甚至所有这三件事,很快就开始看到DNA组装可以进行多快。金门DNA组装现在正确地主导了这个领域,通过Addgene共享的许多模块化克隆(MoClo)工具箱和遗传零件库已经改变了人们的工作方式,并基于彼此的发现。公司和学术机构已经建立了专用于自动DNA克隆的设施,也许最重要的是,DNA合成成本已经下降到订购定制基因现在比尝试克隆其更具成本效益的程度。如此低的价格下降不能因为它如何改变人们的工作方式而被低估。

基因合成成本的下降主要归因于一种新方法,该方法可在芯片上并行印刷数千个寡核苷酸以形成“寡核苷酸池”,并将其与下一代测序(NGS)结合使用,是一种更具成本效益的方法来验证组装脱氧核糖核酸。这两种技术也为人们在合成生物学中的工作方式发生重大变化打开了大门,这突然使在一个实验中并行设计,构建和测量数十万个遗传设计具有成本效益7。如果您可以将基因设计的输出结果与NGS兼容的测量结果(例如条形码RNAseq)联系起来,那么数据分析将成为您的新瓶颈,而不是像以前那样设计和组装。在过去的十年中,这导致了数学方法与合成生物学中生物学之间关系的重大转变。在2000年代,制造和测试DNA结构缓慢而昂贵时,数学建模对于预测成功和失败以及缩小设计空间非常有用。现在很少需要这种方法,而数学分析却可以在大型数据集的统计分析中找到其价值,并以此来学习如何设计DNA。

在过去的十年中,高性能计算还在可以建模和预测的领域开辟了新的领域。由大卫·贝克(David Baker)小组领导的蛋白质的合理设计突飞猛进,并结束了作为活酵母细胞8基因循环的一部分的十年。首次发布了生殖器支原体的全细胞模型,从而可以通过细胞周期模拟数百种基因的作用9。这有助于告知JCVI的最小基因组计划,该计划在2016年以合成基因组最少的细菌令人印象深刻的工程技术实现了又一个里程碑10

合成基因组学也与国际Sc2.0财团一起进入了真核生物,后者构建了Baker酵母染色体11的高度修饰但功能齐全的合成版本。大肠杆菌还以合成基因组结束了该十年,该基因组经过了重新设计和构建,以消除遗传密码12的64个密码子中的3个全部使用。这样的编码使细胞能够被工程化以容易地根据需要将非标准氨基酸插入蛋白质中。这是由Church实验室基于突变的方法所开创的,该方法在十年中的早期将大肠杆菌减少到仅使用63个密码子,这证明了遗传密码的扩展5。在大肠杆菌中也扩展了此代码通过添加除A,T,C和G之外的DNA碱基。

DNA也已成为一种存储数据的方式,最初只是通过化学合成在体外,然后又通过“分子记录器”遗传系统将其存储在细胞中,该系统使用重组酶或CRISPR来随着细胞的生长,分裂和改变其基因表达来修饰DNA。细胞中的感觉和记录甚至进入人体,肠道细菌可以感应并报告小鼠内部的事件。制造了经工程改造的益生菌,可以检测尿液中的癌症,其他细菌则将其转变为疗法,纠正代谢紊乱并感知和破坏病原体。制药行业最热门的基于细胞的疗法,即靶向癌症的CAR-T细胞,也开始配备了合成生物学的传感和逻辑装置。合成生物学的传感和逻辑也发现了更多的医疗应用,13。这些传感器以及其他最近的应用通过新的模块化方法来设计复杂的核酸相互作用,以及通过新的“无细胞”方法进行合成生物学的方法来实现,这些方法使用来自细胞的裂解物可定制和可访问单元工程的替代品14

医疗保健现在可以说已经取代了代谢工程学,成为合成生物学应用的必经之路,但这并没有阻止这一领域的进展。学术成就包括工程细胞以固定CO 2和氮,并使酵母产生类阿片和大麻素。许多机构已经建立了生物加工厂,可以证明细胞的快速工程化用于数十种不同分子的生物合成15。当然,利用合成生物学进行代谢工程的许多工作现在都在Amyris,Genomatica,Ginkgo和Zymergen等公司进行。

回顾这十年,合成生物学的许多研究里程碑和新方向确实令人印象深刻,但作为合成生物学研究者,最让我们兴奋的是使能技术的进步,因为这些技术开启了下一步的发展。然而,如果我们要寻找这十年来最大的成就,以证明2010年该领域的炒作是正确的,那么我们可以从全球数百家合成生物学公司的增长和估值中找到答案。现在,一个价值数十亿美元的产业已经存在,它用工程细胞制造化学品、药物、蛋白质、益生菌、传感器、肥料、纺织品、食品和其他许多东西。而且这些公司并不是现有的公司才买进合成生物学,而是由博士后、博士和iGEM学生创办、领导和发展起来的公司,他们在实验室研究,在大多数情况下,他们的整个一生都在这个领域工作。

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参考文献

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