合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

通过合成基因线路实现细胞分类

合成生物学是生物学与工程学结合的新兴学科,通过人工将生物元器件组合成线路引入细胞,使细胞获得对信息进行处理并做特定输出的新功能。近年来,针对疾病治疗的合成生物学研究发展迅猛,基因线路的工程化特性使通过它对疾病进行更精确、灵活的干预成为可能,在基因治疗中有广泛的应用前景。精确干预的前提是综合多种输入信号并识别出特定种类的细胞,如特异性识别出癌细胞的溶瘤病毒。疾病的发生往往伴随着细胞内多种调控网络的改变,从中提取出关键信号分子作为基因线路的输入至关重要。现综述哺乳动物细胞中对不同的信号输入进行感知的基因线路细胞分类器,为未来模块化整合信号输入、设计基因线路提供新的思路。     

合成生物学驱动功能细胞的精准设计与疾病诊疗

合成生物学是依据工程化的设计思路,通过人工精准设计一些功能化元器件和模块,旨在创造具有新型功能的新生物体。利用合成生物学手段人工合成的功能细胞可以精确调控细胞的行为,为传统医疗无法治愈的疾病提供了新的诊治策略。目前,在哺乳动物细胞合成生物学领域,人们设计、构建了多种可控的功能细胞用于诊断和治疗代谢疾病、癌症、免疫系统疾病等。主要介绍人工精准构建功能化细胞的研究进展及其在智能诊疗糖尿病、肿瘤等重大疾病中的应用。同时,探讨功能化细胞在临床疾病治疗中的挑战和发展前景。     

基于合成基因线路的智能药物

合成生物学自诞生以来对生物学领域的研究产生了重要的影响。利用工程学思维与方法,合成生物学揭开了生命系统许多调控机制,改造并扩展了一系列生物元件,同时带来了广泛的生物医学应用,为疾病诊断与治疗提供了新的思路。本文综述了适用于哺乳动物细胞或者细菌的合成基因线路并用于疾病诊断与治疗领域的最新进展,为未来智能药物设计提供新的思路。     

噬菌体重组酶系统在合成生物学中的应用*

合成生物学技术采用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,对重塑非自然功能的“人造生命”具有重要意义。噬菌体重组系统具有高效、精确和广谱适用性等特点,在基因工程、代谢工程以及生物治疗等合成生物学领域得到了广泛的应用。从基因电路、体内遗传改造和体外重组等方面全面阐述了噬菌体重组系统在合成生物学研究的现状及热点,对当前该系统的局限性进行了探讨,并就未来的研究和发展趋势进行了展望。     

哺乳动物合成生物学与疾病治疗

合成生物学是以工程学思想为指导,通过合成一些功能元件、模块、系统,对生命体进行有目的的设计、改造,使细胞或生物体具有特定的新功能。现已在生物医药、环境能源、生物材料等领域广泛应用。现将重点介绍近年来哺乳动物合成生物学在各种疾病治疗上取得的研究成果,包括治疗代谢性疾病、肿瘤、免疫相关疾病等;同时,探讨合成生物学未来在临床治疗中的意义和挑战。     

合成生物学在改善肠道健康状态中的应用与展望

合成生物学是一个新兴的研究领域,它是指新的人工生物路径、有机体或装置的设计和构建,或者对自然生物系统进行重新设计。利用合成生物学改造肠道微生物中的共生细菌,使其实现对肠道菌群或肠道细胞状态的靶向调控,可以有效的改善宿主的肠道健康状态。由于该方法可塑性较强,可调控的靶标范围广泛、调控针对性强,副作用少,因此已逐步应用于肠道疾病的治疗中。综述了合成生物学在杀死肠道致病菌,维持肠道菌群平衡,协助肠道代谢营养物质,改善代谢疾病,诊断肠道疾病,定位肿瘤组织及调节肠道免疫系统等方面的研究进展,分析了现阶段合成生物学用于改善肠道健康状态中的优势和存在的问题,并在此基础上提出了"应用合成生物学建立人体肠道健康调控的新型功能性益生菌系统,实现对肠道健康的个性化医疗"的技术路线和管理体系。     

合成生物学与微生物遗传物质的重构

作为一门新兴学科的合成生物学已经展现出巨大的科学价值和应用前景。近年来已经发表了多篇综述文章,从不同角度对合成生物学进行了总结和论述。文章首次对合成生物学和微生物遗传学之间的关系进行了阐述,同时介绍了合成生物学在微生物遗传物质的重构方面最近的研究进展,包括微生物遗传物质的合成、设计和精简,遗传元件的标准化和遗传线路的模块化。也探讨了合成生物学与微生物遗传工程的关系。     

合成生物学设计技术

合成生物学以工程化思想为指导,通过多学科交叉,设计改造生命系统,以加深对生命的认识和创造新功能,为应对人类面临的诸多挑战提供支撑。合成生物学的精髓在于借助精妙的设计实现对生物系统的构建和模拟,从而更好地了解生命现象。该文主要集中介绍合成生物学研究中的设计技术,包括生物元件设计、人工基因线路设计和代谢线路设计、人工基因组设计,归纳总结目前已有的设计技术手段和策略。     

人工定制细胞与精准医疗的最新研究进展

合成生物学研究为生命医学领域中所需求的综合性、多元化基因网络实现时间和空间复杂维度基因调控提供可能,并助力临床医学应用研究实现信息精准化、智能诊疗一体化发展,为未来医疗卫生事业革命性快速发展提供强大的技术支撑。该文以合成生物学技术平台设计开发的人工定制细胞、电子药物、智能诊疗一体化系统等方向为核心内容,对最新的合成生物学生命医学研究案例进行综述分析,讨论当前合成生物学在医学应用研究中存在的问题和未来所面临的挑战,并对其发展前景进行展望。     

Synthetic circuits,devices and modules

The aim of synthetic biology is to design artificial biological systems for novel applications. From an engineering perspective, construction of biological systems of defined functionality in a hierarchical way is fundamental to this emerging field. Here, we highlight some current advances on design of several basic building blocks in synthetic biology including the artificial gene control elements, synthetic circuits and their assemblies into devices and modules. Such engineered basic building blocks largely expand the synthetic toolbox and contribute to our understanding of the underlying design principles of living cells.     

合成功能菌群的构建及其工程化应用

自然界中存在着大量的天然微生物群落,不同种群的微生物通过通信及分工拓展了单菌的性能边界,降低了整体的代谢负担并增加了对环境的适应性。合成生物学依据工程设计原理构建或改造基本功能元件、基因线路和底盘细胞,从而对生命的运行过程进行具有目的性的重新编程,获得丰富及可控的生物学功能。将这种工程设计的原理引入菌群,获得结构明确及功能可调的合成群落,可以为合成功能菌群的理论研究到应用提供思路及方法。本文回顾了近年来合成功能菌群领域的相关工作,对合成功能菌群的设计原则、构建方法以及应用进行详细介绍,并对未来的发展进行了展望。     

合成生物学技术在材料科学中的应用

材料是人类赖以生存与发展的物质基础,科技和社会的进步都离不开材料技术的发展,未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。以"基因调控·工程设计"为核心的合成生物学技术从分子、细胞层面极大地推动了生命科学的发展,也已经并继续为材料科学的发展注入新的思路和活力。本文将围绕合成生物学技术在材料科学中的应用,以基因回路设计为核心,概念应用为线索,重点介绍合成生物学技术在高分子生物材料和无机纳米材料领域的开发和生产,细胞展示和蛋白定向进化战略对分子材料的筛选和优化,"活体"功能材料、工程菌调节的人工光合系统功能材料体系以及基因回路在材料科学中的应用。     

基因组工程在医学合成生物学中的应用

合成生物学旨在建立一套完整的工程理论和方法,通过设计和组装基本生物学元件,更为有效地实现复杂生物系统的设计,并使其完成可编程的生物学功能。近年来随着可编程基因组元件的出现,特别是CRISPR和CRISPRi技术平台的建立和完善,使得合成生物学进入了一个全新发展的时期。本文重点综述CRISPR等基因组编辑和调控技术,其在构建可编程生物学元件和复杂基因线路的应用以及合成生物学在医学中(称为医学合成生物学)的发展前景。     

Synthetic therapeutic gene circuits in mammalian cells

In the emerging field of synthetic biology, scientists are focusing on designing and creating functional devices, systems, and organisms with novel functions by engineering and assembling standardised biological building blocks. The progress of synthetic biology has significantly advanced the design of functional gene networks that can reprogram metabolic activities in mammalian cells and provide new therapeutic opportunities for future gene- and cell-based therapies. In this review, we describe the most recent advances in synthetic mammalian gene networks designed for biomedical applications, including how these synthetic therapeutic gene circuits can be assembled to control signalling networks and applied to treat metabolic disorders, cancer, and immune diseases. We conclude by discussing the various challenges and future prospects of using synthetic mammalian gene networks for disease therapy.     

Synthetic biology in multicellular organisms: Opportunities in nematodes

Synthetic biology has mainly focused on introducing new or altered functionality in single cell systems: primarily bacteria, yeast, or mammalian cells. Here, we describe the extension of synthetic biology to nematodes, in particular the well-studied model organism Caenorhabditis elegans, as a convenient platform for developing applications in a multicellular setting. We review transgenesis techniques for nematodes, as well as the application of synthetic biology principles to construct nematode gene switches and genetic devices to control motility. Finally, we discuss potential applications of engineered nematodes.     

Therapeutic synthetic gene networks

The field of synthetic biology is rapidly expanding and has over the past years evolved from the development of simple gene networks to complex treatment-oriented circuits. The reprogramming of cell fate with open-loop or closed-loop synthetic control circuits along with biologically implemented logical functions have fostered applications spanning over a wide range of disciplines, including artificial insemination, personalized medicine and the treatment of cancer and metabolic disorders. In this review we describe several applications of interactive gene networks, a synthetic biology-based approach for future gene therapy, as well as the utilization of synthetic gene circuits as blueprints for the design of stimuli-responsive biohybrid materials. The recent progress in synthetic biology, including the rewiring of biosensing devices with the body's endogenous network as well as novel therapeutic approaches originating from interdisciplinary work, generates numerous opportunities for future biomedical applications.