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《科学家认为合成生物学已走向无细胞化》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： huangcui
  • 发布时间：2019-11-22

  • 8月7日，BMC Biology期刊发表了一篇合成生物学领域的文章，文章重点讨论了无细胞系统（Cell-free systems，CFS）将如何实现新技术并加速生物工程即将到来的革命。

    在传感器开发方面，CFS的转录和翻译特性可用于宿主基因电路传感器，检测具有精确灵敏度和特异性的小分子和核酸；在治疗药物开发领域，无细胞生物制造十分适合疫苗生产，它可迅速扩大规模以应对突发公共卫生事件。

    文章预计无细胞系统领域的研究将继续扩大并与其他工程系统合并，或将使合成生物学更加贴近电子学和机器学习。

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    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
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    • 电视和广播称“人工智能即将来临”，它将接替您的工作并在国际象棋上击败您。 但是，人工智能已经来临了，它可以在国际象棋上击败您，这是世界上最好的。在2012年，Google还使用它来识别YouTube视频中的猫。今天，这就是特斯拉拥有Autopilot，Netflix和Spotify似乎“读懂你的思想”的原因。现在，人工智能正在改变合成生物学的领域以及我们如何设计生物学。它可以帮助工程师设计出新的方法来设计基因回路，并且通过已获得的巨额投资（过去10年中的12.3亿美元）及其正在破坏的市场，它可能对人类的未来产生重大影响。 人工智能的概念相对简单，它是具有推理，学习和决策行为的机器编程。一些AI算法（只是计算机遵循的一组规则）在这些任务上非常出色，以至于可以轻易胜过人类专家。 我们听到的关于人工智能的大多数信息都涉及机器学习，这是AI算法的子类，可以从数据中推断出模式，然后使用该分析进行预测。这些算法收集的数据越多，其预测就越准确。深度学习是机器学习的一个更强大的子类别，其中大量称为神经网络（受大脑结构启发）的计算层协同工作以增加处理深度，从而促进诸如高级面部识别（包括iPhone上的FaceID）之类的技术）。 [有关人工智能及其各个子类别的更详细说明，请查看本文及其流程图。] 无论AI的类型或用途如何，我们都处于计算革命之中，它将其卷须扩展到“计算机世界”之外。很快，AI将影响您服用的药物，燃烧的燃料，甚至是您用来洗衣服的洗涤剂。 特别是生物学，是人工智能最有希望的受益者之一。从调查导致肥胖的遗传突变到检查癌细胞的病理样本，生物学产生的数据非常复杂，令人费解。但是，这些数据集中包含的信息通常提供有价值的见解，可用于改善我们的健康状况。 在合成生物学领域，工程师寻求“重新连接”活生物体并为其编程以新功能，许多科学家正在利用AI设计更有效的实验，分析其数据并使用其来创建突破性的疗法。这是五家将机器学习与合成生物学相结合的公司，为更好的科学和更好的工程铺平了道路。 Riffyn催化干净的数据收集和分析 （加州奥克兰，成立于2014年，已筹集了2490万美元） 机器学习算法必须从大量数据开始-但是，在生物学上，要生成好的数据非常困难，因为实验耗时，繁琐且难以复制。幸运的是，有一家公司正在通过简化科学家的工作来解决这一瓶颈。 Riffyn基于云的软件平台可帮助研究人员标准化，定义和执行实验，并简化数据分析，这使研究人员能够专注于进行实际的科学研究，并使使用机器学习算法从他们的实验中获得更深刻的见识成为日常现实。 使用此平台，可以更有效地进行实验，从而导致成本大幅下降，生产率和质量得到改善，并且准备使用复杂的机器学习技术进一步分析数据。这意味着公司可以使用这项技术来开发用于癌症治疗的新蛋白质，并且他们可以比以前更快，更好地做到这一点。里芬（Riffyn）已经与15家全球生物技术和生物制药公司中的8家进行了合作-他们成立于五年前。 Microsoft Research Station B：汇集编程生物学的难题 （英国剑桥，于2019年正式启动） 合成生物学世界中有许多活动的部分，这使得尽可能简化和整合操作变得困难而至关重要。在过去的十年中，Microsoft Research的计算生物学部门B站一直在开发生物学的机器学习模型，以解决此问题并加快从医学到建筑的各个领域的研究。 它的努力也以各种新的伙伴关系的形式获得了回报。借助Synthace，它正在开发用于自动化和加速实验室实验的软件。 B站还与普林斯顿大学合作，通过利用基于机器学习的方法从生物生长不同阶段拍摄的图像中提取图案，研究生物膜背后的机制（与细菌菌落如何产生抗生素抗性有关）。 B站还与牛津生物医学公司合作，该公司利用这些机器学习功能来改善针对白血病和淋巴瘤的有前途的基因疗法。这也许是合成生物学影响最大的领域之一：设计与多种疾病作斗争的疗法。 Atomwise：深度学习解码结构蛋白设计的黑匣子 （总部位于美国加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，已筹集了5100万美元） Atomwise正在通过其称为AtomNet的深度学习平台来应对药物开发，该平台可以快速对分子结构进行建模。它可以准确地分析小分子内的化学相互作用，从而预测针对埃博拉病毒至多发性硬化症等疾病的功效。通过利用有关原子结构的数据，Atomwise设计了新颖的疗法，否则将几乎不可能开发。 他们与包括Charles River Laboratories，默克，多伦多大学和杜克大学医学院在内的机构建立了众多学术和公司合作伙伴关系，这些机构正在提供许多现实世界的应用程序和机会来推动这项研究的发展。他们最近还宣布了与江苏汉寿药业集团的高达$ 1.5B的合作，该公司是今年最大的生物制药IPO之一。 尽管Atomwise的分子设计方法功能强大且可以有效抵抗多种疾病，但还没有一种完美的方法来进行计算发现。那就是Arzeda进来的地方。 Arzeda：使用从头深度学习重写蛋白质设计规则 （华盛顿州西雅图市，成立于2008年，已筹集了1520万美元） Arzeda是一家来自华盛顿大学贝克实验室的公司，利用其蛋白质设计平台（当然植根于机器学习算法）来对蛋白质进行工程改造，从工业酶到农作物及其微生物群落。 Arzeda完全从零开始（或从头开始）构建其分子，而不是优化现有分子，以执行自然界中未发现的新功能；深度学习技术对于确保其设计的蛋白质正确折叠（非常复杂的计算问题）并按预期发挥功能至关重要。一旦完成计算步骤，就可以通过发酵（就像啤酒一样）来生产新蛋白质，而绕过自然进化过程以有效地生产全新的分子。 分布式生物：彻底改变流感，癌症，蛇咬等的未来 （加利福尼亚州南旧金山，成立于2012年，由许可技术自筹资金） 在设计范围的另一端，Distributed Bio利用合理的蛋白质工程技术来优化现有的抗体，这些抗体是您体内的蛋白质，可以检测细菌并与其他引起疾病的入侵者抗争，从而创造出新颖的疗法。 Tumbler平台是该公司拥有的众多免疫工程技术之一（从通用流感疫苗到广泛覆盖的蛇抗蛇毒）。 Tumbler使用机器学习方法创建了超过5亿种起始抗体变体，以扩展和量化分子中哪些变化最有价值的搜索空间。然后，它会对序列进行评分，以预测它们在现实生活中与目标的结合程度，并使用“有价值的变化”信息进一步改善得分最高的序列。随着最高级序列的合成和在实验室中的测试，生产周期继续进行。最终，原型分子应运而生，以实现预期的治疗目的-自然界中不一定观察到这种现象，而是结合了所有可能的最佳特征。 Tumbler已帮助实现了超越传统单一靶标药物开发的广泛应用-从设计可同时与多个靶标结合的抗体到创建嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）治疗（与Chimera Bioengineering一起）用于癌症治疗具有降低的毒性，此端到端优化平台大规模产生理想抗体的能力是空前的。 尽管这一进展令人兴奋，但人工智能并不是我们对自然界研究的普遍替代，也不是开发治疗人类疾病的唯一方法。有时，它在技术上可能没有用，甚至从道德上讲也不是合理的。随着我们继续获得这项技术的好处并将其日益融入我们的日常生活中，我们必须继续就合成生物学和AI创新的设计，实施和道德操守进行对话。我们站在科学和人类新时代的悬崖上。 ——文章发布于2019年9月19日
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  • 《科学家实现氮-甲基吡咯啉的微生物合成》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2019-04-06
    • 1月29日，美国化学学会ACS Synthetic Biology 杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室肖友利研究组和周志华研究组等合作完成的题为Building Microbial Hosts for Heterologous Production of N-methylpyrrolinium 的研究论文。 　　以N-甲基吡咯啉为生物合成关键共同中间体的（降）托品生物碱如（东、山）莨菪碱、打碗花精等具有重要的生物活性及临床药用价值。这些生物碱目前主要是通过本源植物的传统提取方法获得，而基于合成生物学的微生物异源合成技术为药用天然产物的制备提供了新策略。N-甲基吡咯啉的生物合成以L-鸟氨酸为前体，经过鸟氨酸脱羧酶催化得到腐胺，腐胺进一步被胺氧化酶氧化脱氨形成N-甲氨基丁醛，随后经过希夫碱式自发反应生成N-甲基吡咯啉。为了构建异源合成N-甲基吡咯啉的底盘细胞，肖友利研究组平羽和周志华研究组李晓东等研究人员进行了以下研究：1）首先解析了药用植物来源三分三的胺氧化酶AaDAO2及AaDAO3的生化功能，并耦联古柯来源鸟氨酸脱羧酶EcODC及山莨菪来源的腐胺-N-甲基转移酶进行体外酶催化一锅法合成，筛选出由EcODC、AtPMT及AaDAO3组成的体外合成N-甲基吡咯啉的最优催化模块；2）进一步将此模块中的三个结构基因导入大肠杆菌及酿酒酵母中构建相应的底盘细胞并进行摇瓶发酵测试，成功获得目标化合物N-甲基吡咯啉的产量分别为3.02及2.07mg/L的大肠杆菌和酿酒酵母底盘细胞；3）在此基础上，为进一步提高产量，该研究还敲除了酵母底盘细胞中N-甲基吡咯啉的竞争代谢途径相关酶ALD4、ALD5及HFD1，同时通过过表达SAM2加强了合成途径关键酶AtPMT催化所需辅因子SAM的合成，最终酵母底盘细胞中N-甲基吡咯啉的产量达到17.82 mg/L，相比原始菌株提高了8.6倍。该研究首次构建了异源合成N-甲基吡咯啉的微生物底盘细胞，为以N-甲基吡咯啉为前体的药用生物碱的未知合成途径的解析及异源合成奠定了重要基础。 　　该研究工作也得到浙江中医药大学教授开国银的合作支持以及中国科学院项目经费的资助。代谢物质谱和小分子核磁的测试表征工作得到分子植物卓越中心公共技术服务中心代谢组学与蛋白互作技术平台的支持。
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