合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

郭曉強　黃衛(wèi)人　蔡志明

合成生物學(xué)（synthetic biology）是2000年出現(xiàn)的一門融匯生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)和信息學(xué)等學(xué)科而成的交叉科學(xué)。目前對合成生物學(xué)的定義還存在不同認識，較普遍接受的觀念是：①為了應(yīng)用目的，重新設(shè)計現(xiàn)存的自然生物學(xué)系統(tǒng)；②設(shè)計和建造全新的生物學(xué)元件、回路和系統(tǒng)。從這樣的觀念出發(fā)，合成生物學(xué)與有機合成有一定類似之處，都以制造天然產(chǎn)物或人工產(chǎn)物為主要目的。有機合成的核心是以碳元素為主并涵蓋氮、硫等元素在內(nèi)的有機物合成過程，而合成生物學(xué)則是以DNA為主并涵蓋RNA、蛋白質(zhì)等在內(nèi)的設(shè)計與加工過程。正如有機合成在天然產(chǎn)物（像青蒿素等）領(lǐng)域和人工產(chǎn)物（像合成橡膠等）領(lǐng)域已廣泛改變了人類的生活一樣。合成生物學(xué)在天然基因組和人造基因組領(lǐng)域的巨大進展也具有廣闊應(yīng)用前景。合成生物學(xué)成果還有望應(yīng)用于臨床，為部分疾病的治療帶來新的思路和策略，通過體外人工合成生物系統(tǒng)轉(zhuǎn)入機體內(nèi)而重建內(nèi)穩(wěn)態(tài)，以糾正疾病導(dǎo)致的功能異常。這已在感染性疾病、代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等的診治上顯示出巨大潛力，一個新的分支一醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)正在形成。

合成生物學(xué)概述

通俗而言，合成生物學(xué)就是用人工制備的模擬生命體系來最終實現(xiàn)對信號輸出精確控制的一種生物學(xué)技術(shù)。合成生物學(xué)以實際需求為導(dǎo)向，應(yīng)用工程學(xué)原理，設(shè)計并構(gòu)造具有新功能的元件、系統(tǒng)乃至生命體；利用各種原理設(shè)計并合成一系列核酸（包括DNA和RNA）及類核酸（XNA），將其轉(zhuǎn)入特定細胞，最終實現(xiàn)指定的生物學(xué)功能。合成生物學(xué)的重點是合成（合成一系列人工元件、回路和系統(tǒng)等），難點是生物（在生物體內(nèi)實現(xiàn)合成回路的生物學(xué)功能），須要根據(jù)電子學(xué)等原理設(shè)計生物“電路圖”，然后將一系列元件按需求實現(xiàn)有機組裝。

合成生物學(xué)目的在于創(chuàng)造新的生物學(xué)系統(tǒng)，一方面有利于理解生物系統(tǒng)自身的作用機制‘，另一方面可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，造福社會與人民。合成生物學(xué)方法包括利用化學(xué)方法合成特定元件，再利用生物學(xué)方法將其有機整合，然后插入活細胞；也包括建立人造的全新生物系統(tǒng)，通過模擬生物系統(tǒng)。為測試提供平臺，或生產(chǎn)生物學(xué)產(chǎn)品。

合成生物學(xué)發(fā)展簡史

合成生物學(xué)一詞最早由法國生物學(xué)家勒迪克（S.Ledue）于1911年提出，但建立合成生物學(xué)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)則肇始于1950年代。1953年。沃森和克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；1958年。克里克進一步提出中心法則，闡明遺傳信息流動的基本規(guī)律，即從DNA到RNA到蛋白質(zhì)，從而為合成生物學(xué)提供了基本原則。1961年，法國科學(xué)家莫諾（J.L.Monod）和雅各布（F.Jaeob）提出乳糖操縱子模型，描述了基因調(diào)控的基本規(guī)律。1966年，對遺傳密碼的解析完畢，從而為基因工程的出現(xiàn)及隨后合成生物學(xué)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。

1970年，限制性內(nèi)切酶被發(fā)現(xiàn)，提供了DNA特異性剪切之重要工具，恰好反轉(zhuǎn)錄酶也在這一年被發(fā)現(xiàn)，加上已鑒定成功的DNA聚合酶和DNA連接酶等。體外DNA操作成為可能。1972年，人類首次在體外使兩個不同來源的DNA片段實現(xiàn)了連接，產(chǎn)生了第一個重組DNA。1973年，首次將重組DNA轉(zhuǎn)入大腸桿菌，標(biāo)志著基因工程的誕生。1974年，波蘭遺傳學(xué)家希巴爾斯基（W.Szybalski）在這些進展基礎(chǔ)上全面闡述了合成生物學(xué)的概念及內(nèi)涵。

1970年代，基因合成技術(shù)開始出現(xiàn)并逐漸完善，DNA雙脫氧法測序誕生。進入1980年代，DNA測序的進一步完善直接促使了基因組計劃的提出與完成。1990年代，高通量測序（第二代測序技術(shù)）的發(fā)明進一步增加了基因組信息量，為合成生物學(xué)提供了重要素材。

2000年，研究人員制備了第一批人工設(shè)備。包括轉(zhuǎn)換開關(guān)、生物振蕩器等，標(biāo)志著合成生物學(xué)的正式誕生。隨著基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和DNA化學(xué)合成及相關(guān)技術(shù)之完善與發(fā)展，合成生物學(xué)已積累了大量新工具，從而為研究和理解生物系統(tǒng)提供了全新策略，也為將來在工農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。至今，已先后合成了定時器、計數(shù)器、生物時鐘、模式檢測器和細胞間交流系統(tǒng)等生物回路或系統(tǒng)。目前已經(jīng)有能力根據(jù)需求合成復(fù)雜的代謝回路、完整的代謝通路，甚至還可以合成完整的基因組，并且已從合成簡單的原核生物（如支原體基因組），到目前合成簡單真核生物（如酵母染色體）。

合成生物學(xué)的臨床應(yīng)用

在合成生物學(xué)發(fā)展早期設(shè)計并構(gòu)建的合成生物學(xué)元件，主要應(yīng)用于原核生物或簡單真核生物（如酵母）等；而隨著許多真核細胞元件被設(shè)計與開發(fā)成功，哺乳動物的細胞合成生物學(xué)也取得了進展，從而為臨床應(yīng)用帶來了全新理念。

相對于傳統(tǒng)生物學(xué)，合成生物學(xué)顯示出巨大的應(yīng)用潛力，已在生物能源、化工生產(chǎn)、環(huán)境保護、生物制藥等領(lǐng)域有了初步應(yīng)用。醫(yī)學(xué)已成為合成生物學(xué)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，研究的快速增長正在促使醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)誕生，可望對多種疾病的研究與治療提供新的選擇。

疾病可看作源于先天原因（遺傳性疾病或遺傳相關(guān)疾病等）或后天原因（環(huán)境因素如寄生蟲或病原體）引發(fā)的機體特定部位的功能障礙。修復(fù)這些障礙，最終達到功能重建，就可取得治療的效果。傳統(tǒng)方法是利用藥物，而合成生物學(xué)可在更寬廣的范圍內(nèi)，通過生物功能重建策略來實現(xiàn)疾病的治療。

在臨床上，合成生物學(xué)主要是利用人工合理設(shè)計，合成大量治療性的基因回路，在載體協(xié)助下最終植入人體，通過糾正機體有缺陷的回路功能，實現(xiàn)疾病治療的最終目的。醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)通過影響特定生物學(xué)過程而重建生命內(nèi)穩(wěn)態(tài)。為了在實現(xiàn)疾病治療的同時盡可能減輕副作用，合成生物學(xué)需要達到高效、特異和可控等設(shè)計目標(biāo)。

醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)的設(shè)計需要在五個層面上實現(xiàn)。首先，篩選和鑒定可用元件，包括DNA元件（如啟動子、編碼序列、核糖體結(jié)合位點和終止序列等），RNA元件[如反義RNA、微RNA（miRNA）、小干擾RNA（siRNA）、核酸調(diào)節(jié)元件、核酸開關(guān)以及核酶等1，以及蛋白質(zhì)元件（如RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子、阻遏蛋白等的基序或功能域）。第二，根據(jù)實際需求，利用工程學(xué)原理，對這些元件進行設(shè)計和組裝，以形成具有邏輯門關(guān)系的治療基因回路（生物裝置）。當(dāng)輸入特定命令，可獲得唯一的輸出信號。第三，將基因回路通過特定方式轉(zhuǎn)入底盤細胞，產(chǎn)生合成的生物系統(tǒng)。第四，在模型動物水平上對治療效應(yīng)做生物學(xué)測試。第五，I臨床檢驗治療效果。目前主要集中在前四個層面，在模型方面的成功已引起科學(xué)界和臨床醫(yī)生的注意。

合成生物學(xué)臨床應(yīng)用的成就

合成生物學(xué)已在感染性疾病、代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等多個領(lǐng)域得到初步嘗試，并顯示出較理想的治療效果。

在感染性疾病治療中的應(yīng)用

當(dāng)前，細菌對多數(shù)抗生素的耐藥性是造成多種感染性疾病治療效果欠佳之重要原因，而合成生物學(xué)在這方面顯示出良好前景。細菌耐藥性的一個機制在于產(chǎn)生外層保護膜，利用合成生物學(xué)技術(shù)改造噬菌體可從兩方面解決該問題。一方面噬菌體可直接識別并殺死細菌，同時還可利用細菌作為宿主，實現(xiàn)自身繁殖而達到治療最大化目的；另一方面噬菌體可產(chǎn)生特定酶來破壞細菌保護膜，從而使細菌被抗生素或機體免疫系統(tǒng)殺滅。實驗測試表明，這種人造噬菌體殺滅99.997%擁有保護膜的細菌。

利用合成生物學(xué)方法改造細菌，在醫(yī)療方面也有重要應(yīng)用。如經(jīng)過改造的大腸桿菌可產(chǎn)生特定化學(xué)信號，有效干擾霍亂弧菌之間的信息交流，弱化此菌株的感染。小鼠實驗顯示，該工程菌對霍亂治療具有重要作用。此外，還可利用改造細菌來合成大量藥物，如青蒿素和紫杉醇等。

在代謝性疾病治療中的應(yīng)用

代謝性疾病是指因代謝失衡而使特定代謝物含量異常的疾病，如糖尿病、肥胖和痛風(fēng)等。

糖尿病是一種由血糖升高所導(dǎo)致的疾病，故控制血糖含量成為治療的重要目標(biāo)之一，可利用胰島素或胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）等實現(xiàn)對血糖的控制，而輸入的調(diào)控信號可以是光或者電磁波。光是自然界中最普遍、最易獲得物質(zhì)之一，不僅成本低廉容易獲取，還能在時間和空間上加以精確調(diào)控；而感受光信號的光敏蛋白，響應(yīng)速度快，可達毫秒級，適合用于動態(tài)調(diào)控。利用構(gòu)建人工生物器件的技術(shù)，成功開發(fā)出一種簡單、穩(wěn)定、容易使用的光調(diào)控基因表達系統(tǒng)，由一個光調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和含有GLP-1的轉(zhuǎn)錄單元構(gòu)成。在藍光存在情況下，轉(zhuǎn)錄因子能迅速被激活，從而啟動GLP-1的轉(zhuǎn)錄與表達。把該系統(tǒng)植入Ⅱ型糖尿病小鼠體內(nèi)，藍光可有效控制GLP-1的表達與分泌，從而實現(xiàn)對血糖的精確調(diào)控。通過構(gòu)建受電磁波控制的鈣離子信號和鈣離子調(diào)控的胰島素合成，再把整合在一起的基因表達回路植入糖尿病小鼠體內(nèi)，將小鼠暴露于電磁波之下，可實現(xiàn)血糖的控制。

隨著生活水平提高。肥胖也成為威脅人類健康之重要因素。在哺乳動物小鼠肝細胞中引入一個乙醛酸分支途徑的基因回路，可顯著增加脂肪酸氧化，因而即使給小鼠喂食高脂肪食物，小鼠也不會出現(xiàn)肥胖癥狀，并且血脂和膽固醇水平也未見明顯升高。此外，肥胖患者血液中的血脂和膽汁酸含量較高，可以構(gòu)建感知這些化合物的基因回路。受其調(diào)控的功能分子為激素普蘭林肽（pramlintide）等。

尿酸是嘌呤在人體代謝中的產(chǎn)物，它在水里溶解度較低，因此血液中尿酸含量較高可導(dǎo)致高尿酸血癥，最常見表現(xiàn)是尿酸沉積在關(guān)節(jié)等軟組織內(nèi)。導(dǎo)致痛風(fēng)的發(fā)生。某些個體先天性地缺乏尿酸氧化酶，無法使尿酸進一步生成更易溶于水的尿囊素。傳統(tǒng)治療高尿酸血癥的基本原則在于外源補充相關(guān)因子或酶，以糾正異常狀況，重新建立代謝內(nèi)穩(wěn)態(tài)。利用合成生物學(xué)方法，可首先構(gòu)建含尿酸氧化酶的基因回路并轉(zhuǎn)入細胞，再將基因工程細胞植入急性高尿酸血癥小鼠體內(nèi)。過量的尿酸激活尿酸氧化酶基因表達，從而消除尿酸并達到內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

在神經(jīng)退行性疾病治療中的應(yīng)用

神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生率也在與日俱增，但對其中大部分缺乏有效的治療手段，尋找新的策略具有重要意義。這類疾病大多緣于特定基因突變造成蛋白質(zhì)分子聚集，影響神經(jīng)元功能而發(fā)生，因此糾正“錯誤折疊”蛋白質(zhì)成為疾病治療之策略。應(yīng)用基因組編輯工具像鋅指核酸酶（zFN）、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TELEN）以及成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列及其關(guān)聯(lián)蛋白9（CRISPR/Cas9）等，通過糾正突變基因的方法，可從根本上實現(xiàn)對這類疾病的治療。上述方法均存在不同程度的脫靶效應(yīng)，須進一步利用合成生物學(xué)的可控特點，精確控制作用位點，以減少治療的副作用。合成生物學(xué)還通過設(shè)計特定啟動子和基因開關(guān)來獲得治療回路，實現(xiàn)對特定靶蛋白質(zhì)分子的精確控制。類固醇激素米非司酮可用作一個基因開關(guān)，精確調(diào)控神經(jīng)膠質(zhì)源神經(jīng)營養(yǎng)因子（GDNF）之基因表達，對帕金森病大鼠模型產(chǎn)生神經(jīng)保護作用。此外，光控基因表達也開始被嘗試用于特定神經(jīng)退行性疾病的治療并顯示出良好的療效，但是尚需進一步研究。

在癌癥治療中的應(yīng)用

近幾十年來，癌癥研究未取得真正意義上的重大突破，尋找新的診治思路具有重要意義。

（1）腫瘤識別對于癌癥治療最大的挑戰(zhàn)在于選擇性殺傷，即在不傷害正常組織前提下消除體內(nèi)癌細胞。利用癌細胞和正常細胞本身的表達差異，開發(fā)成功癌細胞特異性分類器。如根據(jù)miRNA設(shè)計成功的合成回路，可有效區(qū)分宮頸癌細胞與正常細胞。在有效區(qū)分基礎(chǔ)上，可進一步利用合成的致死回路對癌細胞加以直接選擇性殺傷，也可輔助放化療以增加這些治療的專一性和敏感性。

（2）細菌或病毒的選擇性殺傷利用基因工程細菌在缺氧環(huán)境中表達的特性，可讓其在腫瘤缺氧環(huán)境中制造某種細胞毒性蛋白而啟動癌細胞死亡程序。但是這種策略最大問題在于癌組織本身血液供應(yīng)存在障礙，因此將細菌運送至癌組織成為很大難點。

（3）合成免疫學(xué)利用合成生物學(xué)的原理和方法，通過操縱生物元件以定量調(diào)節(jié)和操縱機體免疫應(yīng)答，從而實現(xiàn)疾病治療。這是目前臨床應(yīng)用探索較少的合成生物學(xué)領(lǐng)域之一，尤其在腫瘤治療方面顯示出誘人的前景。免疫學(xué)識別本身具有特異性。早期癌癥治療的“魔彈”策略也主要基于免疫學(xué)原理。所以，把合成生物學(xué)和經(jīng)典免疫學(xué)相結(jié)合，有可能對癌癥治療發(fā)揮巨大作用。過繼免疫治療（adoptive immunotherapy）是一個十分重要的探索方向，它主要涉及將患者T細胞分離，在體外進行適當(dāng)處理或操作后重新輸入患者體內(nèi)，以求實現(xiàn)對癌癥的治療。T細胞的體外操作是應(yīng)用合成生物學(xué)的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過人工回路改造的T細胞表面表達一種嵌合抗原受體（CAR），可識別癌細胞表面特異性抗原并啟動細胞殺傷效應(yīng)。此外，還可進一步引入邏輯門以改造CAR。一種是邏輯與門——當(dāng)癌細胞表面同時表達兩種抗原，才啟動免疫應(yīng)答效應(yīng)；另一種為邏輯非門——當(dāng)癌細胞表面存在一種抗原但不表達另一種抗原，才啟動免疫殺傷作用。這種改造可進一步增加識別特異性，減少對正常細胞的“脫靶”殺傷效應(yīng)。

合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的

瓶頸問題及發(fā)展前景

合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用需三方面的基礎(chǔ)：對疾病發(fā)生機制的理解相對清晰（目的清晰），可用于試驗的人工合成元件相對豐富（有效設(shè)計），對其他微擾因素的認識趨于完善（定量控制）。目前在三方面都面臨一些瓶頸問題，限制了合成生物學(xué)早日進入臨床應(yīng)用。首先，大部分疾病的發(fā)生機制尚不清晰，因此對一些相對清楚的單基因病的治療實現(xiàn)突破的可能性最大。其次，哺乳動物細胞中可用的人工元件還比較少。因此對細菌和低等真核生物的合成生物學(xué)研究廣泛開展，關(guān)于高等生物的合成生物學(xué)，研究程度普遍偏低，進展也相對緩慢。最后，復(fù)雜的哺乳動物內(nèi)環(huán)境無疑給合成生物學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)。相對于單細胞生物以及單細胞生物群體（較均一群體），由多細胞類型構(gòu)成的體系要復(fù)雜得多，導(dǎo)致過多的不可控因素存在。無法有效而精確地控制人工元件在人體內(nèi)的生物學(xué)行為。相對于原核細胞和簡單真核生物，哺乳動物細胞的信息傳遞也較為復(fù)雜，并非單純依賴DNA一維來編碼信息，更多的加工和修飾則使合成系統(tǒng)的可控性大打折扣。此外，合成系統(tǒng)本身的相對不穩(wěn)定性和不同生物系統(tǒng)之間的不兼容性，也顯著阻礙了合成生物學(xué)的有效應(yīng)用。隨著分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和基因組學(xué)等領(lǐng)域快速發(fā)展，限制合成生物學(xué)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的瓶頸問題將逐步得到解決，包括從全新角度理解疾病發(fā)生機制，構(gòu)建出適配的標(biāo)準(zhǔn)化哺乳動物人工元件庫，以及改進和完善正交系統(tǒng)（獨立于機體系統(tǒng)外的人工合成系統(tǒng)）。這些將極大地增加合成生物學(xué)在疾病診斷、治療和預(yù)防等多個過程中的有效性與安全性，從而奠定一門新的交叉學(xué)科——醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)的基礎(chǔ)。

越來越多證據(jù)顯示，合成生物學(xué)將迎來下一個大的技術(shù)浪潮，就像今天信息革命帶來的技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟增長。盡管醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)仍處于起步階段，成果尚主要集中于模式動物，但在基礎(chǔ)理論和實驗室研究結(jié)果方面已顯示出一些重大應(yīng)用前景，各國政府和企業(yè)也對此予以了充分關(guān)注。

我國同樣高度重視合成生物學(xué)發(fā)展，但與微生物合成生物學(xué)相比，醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)領(lǐng)域還很薄弱。2014年國家科技部批準(zhǔn)了第一個醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)973計劃“合成生物器件干預(yù)膀胱癌的基礎(chǔ)研究”。該項目主要基于膀胱癌的基因組學(xué)、分子生物學(xué)、合成生物學(xué)、微生物學(xué)和免疫學(xué)等研究，全面篩選膀胱癌分子靶點。探索膀胱癌人工改造細菌治療和合成免疫學(xué)治療之理論基礎(chǔ)，以尋找膀胱癌的高效、靶向與可控的治療方案。該項目的實施會對膀胱癌乃至所有癌癥治療的研究起到推動作用，也會對促進我國醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)的發(fā)展起關(guān)鍵作用。

健康已成為世界各國面臨的重要挑戰(zhàn)之一，我國老齡化社會的過早來臨則使健康問題的挑戰(zhàn)更為迫切。積極探索醫(yī)療領(lǐng)域的關(guān)鍵問題以推動治療方面的變革，具有根本性的意義。醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)以深厚的研究潛力作為基礎(chǔ)，積極探尋應(yīng)用途徑，無疑提供了一個重要選項。