《西雅图的合成生物学空间正在蓬勃发展:以下是6个原因》

  • 来源专题:人类遗传资源和特殊生物资源流失
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-02-25
  • 当你想到合成生物学,硅谷可能是你首先想到的地方。但是,让我们来看看太平洋西北沿岸约800英里的西雅图吧:西雅图不仅可以说是美国最美丽的城市之一,它在生物技术领域的排名也在不断攀升。这是为什么。

    西雅图的生物技术产业拥有顶尖的研究人员。

    在西雅图,越来越多的学术研究人员把他们的专业知识用于工业,或者自己成为企业家。举个例子:总部位于西雅图的蛋白质设计初创公司Arzeda,在2018年跻身享有声望的全球清洁技术百强私营清洁技术公司之列。该公司由计算生物学家亚历克斯·赞格里尼、丹妮拉·贾尔斯、埃里克·阿尔托夫和大卫·贝克共同创立。2008年,他们在华盛顿大学(UW)与加州大学洛杉矶分校、斯克里普斯分校、弗雷德·哈奇以及苏黎世ETH的一个有机化学实验室合作进行了酶设计的革命性研究。他们决定用他们的研究来解决农业和商业生物技术领域的现实问题,用可持续的、可负担得起的替代品替代成千上万种有害的日常化学物质。Arzeda团队的成员大多拥有化学、生物化学或微生物学博士学位,他们通过设计定制的蛋白质和酶来实现这一目标,这些蛋白质和酶可以在阳光下为任何目的定制,而不需要化石燃料。

    尤以华盛顿大学蛋白质设计研究所(IPD)为例,它是具有工业和全球健康意识的生物技术的金矿。Open Philanthropy Project去年向IPD提供了其有史以来最大的科研拨款,超过1100万美元,用于开发一种通用流感疫苗。IPD的学者们,包括IPD主任和Arzeda的联合创始人戴维·贝克(David Baker)在内,利用在那里获得的研究成果,创建并支持了该地区其他几家主要成功的私营企业。这些包括A-Alpha Bio、Cyrus生物技术、PvP生物制剂、Sana生物技术和新白蛋白疗法。这些公司几乎什么都能做——无论是开发腹腔疾病的治疗方法,将工程细胞输送给人类患者,还是使用闪电般的软件寻找新药。

    西雅图生物技术是一项团队运动。

    西雅图什么都有——不管你是生物学家、化学家、数据科学家、电气工程师,还是别的什么人。华盛顿大学合成生物学中心(CSB)是来自各个领域的科学家跨学科中心的又一个完美例子。他们的首要信息是:合作。Eric Klavins是一名电气工程师,他的实验室将生物学和工程学结合起来,重新设计基因、细胞甚至整个生物体之间的通信系统。CSB也是生物化学家和Arzeda联合创始人David Baker的家,还有一大批获奖的化学工程师、基因组科学家、病理学家、生物化学家和癌症生物学家共同努力,使他们的合成生物学研究成为业界最好的。

    Eric Klavins教授目前的项目包括用工程细菌和酵母合成多细胞系统,以及实验室自动化。

    UW在研究领域一直处于领先地位,他们将这归功于他们的合作文化,无论是在UW内部还是与世界各地的合作伙伴。医学研究也参与其中——例如,在西雅图儿童医院,研究人员正与华盛顿大学和弗雷德·哈奇癌症研究中心的同事合作,利用纳米技术研究脑肿瘤。

    啤酒爱好者欢迎!

    西雅图是手工啤酒爱好者的天堂,拥有数十家啤酒厂,而且还在不断增加——但这种受人喜爱的饮料不仅仅是用来饮用的。啤酒也是西雅图生物科技文化的根基。Arzeda的技术直接来自酿造啤酒的过程:酵母发酵。通过以不同的方式改变这一过程,合成生物学家可以发酵糖和农业废料等可再生资源,并将它们转化为任何数量的有价值的化学物质。利用先进的计算生物学设计,这些化学物质可以大规模生产,用于生物燃料和可持续发展的橡胶。

    这种关系是双向的。微生物学家和分子遗传学家肖恩·斯莱特是斯莱特啤酒实验室的创始人,他利用自己20多年的实验室经验(当然,还有对啤酒的热爱)与啤酒酿造商合作,帮助他们酿造独特、高品质的啤酒。他曾在西雅图一家藻类生物燃料公司担任菌株工程师和合成生物组经理,现在他正在学习成为一名成熟的啤酒侍酒师。

    这家啤酒实验室由Sound Bio运营,这是一家位于华盛顿州西雅图的初创公司和生物技术爱好者的社区实验室。

    西雅图是女性在科技领域的中心。

    西雅图的生物技术产业在支持女性从事科学和工业方面一直处于领先地位。生物妇女组织(WIB)是由该地区一些顶级制药、生物技术公司、非营利组织和学术机构的专业人员组成的,其赞助者包括总部位于西雅图的领先公司,如Juno Therapeutics、Omeros和Adaptive Biotechnologies。

    女性科学协会(AWIS)是另一个总部位于西雅图的组织,致力于让女性和女孩参与STEM,包括蓬勃发展的生物技术行业。该组织拥有许多企业赞助商,包括爱思伟尔(Elsevier)和MedImmune,后者是生物制药巨头阿斯利康(AstraZeneca)的生物制剂研发部门。卡斯卡迪亚的女性创业空间每年都在改善,因为越来越多的女性创业者从更多的女性投资者那里获得资金。由德勤(Deloitte)、帕金斯•科尔(Perkins Cole)、斯宾塞•斯图尔特(Spencer Stuart)和Madrona Venture Group运营的女性入职培训项目,重点是让太平洋西北部地区的女性进入企业董事会,尤其是在科技行业。

    科技巨头们也参与其中。

    世界需要生物研究,科技巨头们知道这一点。以西雅图地区的科技巨头微软为例,在过去的十年里,微软越来越多地参与到计算生物学的研究中,加入到分子编程、合成生物学和干细胞的研究中来。他们的跨学科团队什么都做,无论是为生物设备编程,设计DNA分子电路,还是利用计算来观察免疫系统如何识别病毒。

    在一家名为“水族馆”的合作初创公司中,UW的埃里克·克拉文斯(Eric Klavins)与数据巨头英特尔(Intel)合作设计了一款名为“智能湿实验室助手”(smart Wet Lab Assistant)的智能分析系统,该系统可以跟踪在实验室中进行的研究。他们的目标是使合成生物学研究可复制、数字化、完全优化和无错误——这对我们这些易犯错的人类来说通常是一个巨大的要求。该系统将允许基于云的研究数据和协议,这些数据和协议比传统的实验室笔记本更可靠。

    对西雅图的科学家来说,机会无处不在。

    西雅图已经蓬勃发展的科技产业——想想亚马逊(Amazon)和微软(Microsoft)等大名鼎鼎的公司——让这里成为科学家们享受乐趣的天然场所,各种可能性是无穷无尽的。根据房地产报告,过去几年,西雅图的科技业就业增长速度超过了包括旧金山湾区在内的美国其他所有中心。西雅图的科学家可以在许多私营公司中找到成功的案例,比如Juno Therapeutics, Bellwether Bio, Fenologica,或Lumen Bioscience,更不用说从UW的IPD派生出来的许多创业公司了。在这些公司里,他们可以做任何事情,从开发癌症的前沿诊断,到生产不含葡萄的葡萄酒。

    这些私营企业也注重团队合作——分子科技公司Zymergen最近从湾区扩张到了西雅图,为从农业到医疗保健的各种行业开发了开拓性的技术。他们通过将基因组科学家、微生物学家、软件工程师和数据科学家的人才整合成一个大的梦之队来实现这一目标。他们的投资者之一,生物经济资本,已经投入了数百万美元给那些为现代生物技术铺平道路的公司。该公司董事总经理兼物理学家罗布•卡尔森(Rob Carlson)已与机械工程师、其他科学家和策略师联手,确定哪些公司将在这个快速增长的市场蓬勃发展。

    不管怎么说,硅谷可能是生物技术最知名的地方,但不可否认的是,西雅图的合成生物学空间公司(synthetic biology space)是另一个领头羊。伦敦金融城应该开始为自己打造一个品牌——或许是硅声?

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    • 在海底原本充满活力的沙漠中,研究人员发现了可以收集微生物能量的绿洲。值得注意的是,微生物首先必须在饥饿的条件下埋葬80,000年。一个国际研究人员小组,其中包括莱顿大学环境科学研究院(CML)的JoséMogollón,已在PNAS上发表了这一发现。   研究人员研究了格陵兰/挪威海中Scalindua属的微生物。该物种的微生物能够在被埋葬后很长一段时间内重新激活并增加其种群数量超过4个数量级。 代谢活动降至最低 在地球海底面积超过360,000,000 km 2的每一英寸上,都有成千上万的微生物细胞遍布。随着时间的流逝,由于颗粒不断从上方降雨,它们被深埋在沉积物中,成为了深层沉积生物圈的一部分。一旦切断了来自地表世界的粮食供应,能量的深度就会越来越有限,结果,人口将慢慢屈服于恶劣的环境,并随着时间的流逝逐渐减少。在这里,新陈代谢活动被减慢到绝对最小值,几乎没有足够的能量维持基本的细胞。因此,生存成为持久性和毅力的问题,而不是成长。在发表的新研究中然而,PNAS的研究团队描述了一小部分在厌氧条件下通过氧化铵而获得能量的有机体,即厌氧氨氧化镁,是该一般规则的一个例外,并且在不利条件下经过很长一段时间后设法增殖。 80,000年经历地狱 卑尔根大学(挪威)深海研究中心的资深作者Steffen L.Jørgensen说:“这些细胞能够承受的作用确实非常令人惊讶。他继续解释说:“从斯卡林杜阿细胞沉积到海底的那一刻起,它们就发现自己处于恶劣的环境中,条件远非最佳条件。事实上,表面的氧气对它们可能是致命的杀伤力。游离氧抑制了新陈代谢,如果这还不够的话,它们的食物来源(铵和亚硝酸盐)非常稀缺,沉积在海底之后,他们必须在长达80,000年的旅程中度过难关,而缓慢的埋葬是一个地方的便利那是有毒的,基本上没有他们可以使用的任何能源。直到那时,它们才足够深地进入沉积物中,到达能量丰富的区域,其中硝酸铵和硝酸盐的流量会合,即硝酸铵过渡区域(NATZ)。在这里,到达这个深度的几个单元开始增长,人口规模增加。但是,由于该区域本身随时间推移相对于表面保持在固定深度,因此它们在NATZ中的停留时间受到限制,而由于无情的埋葬过程,微生物将被更深地掩埋。从原则上讲,这些细胞已经经历了八万年的艰辛,最终到达一个可以为他们提供适当食物的地方,结果发现自己在开胃菜后被踢出家门。” 异常结果 研究人员的发现是一个很好的例子,说明当被追求时,异常值很容易被拒绝,因为异常值会导致新的见解。主要作者赵瑞(Rui Zhao)描述了他如何观察到教科书知识无法解释的深度细胞丰度的增加。瑞说:“多年来,我们已经收集并分析了许多沉积物核心,我经常看到在含氧区以下的细胞数量意外增加,这使我感到困惑。” 在与莱顿大学的合作者和合著者JoséMogollón一起研究了地球化学背景数据之后,研究小组发现,斯卡林杜瓦的丰度升高与氮的还原和氧化物种相遇的深度处的可利用能源增加相吻合。” 遗传解释 研究人员留下的显而易见的问题之一是,哪些特性使这些微生物能够在非常不利的条件下存活如此长时间。为了进一步研究,他们对这些生物的整个基因组进行了测序,并将其与地表亲戚的基因组含量进行了比较。维也纳大学(奥地利)的研究员索菲·艾比(Sophie Abby)说,他们发现生物体具有特定的基因,可以使它们利用不同的含氮化合物来获取所需的铵盐。内容以及Christa Schleper教授。“此外,他们不可能利用除厌氧氨氧化之外的其他反应来获取能量, 人口动态毕竟不是那么简单 当被问及发现的后果时,赵瑞提到:“这对于我们如何理解深层生物圈中的种群动态具有重要意义,而深层生物圈在很大程度上被认为是不同微生物群在可变时间范围内生存能力的函数。尽管这种情况可能仍然存在,但研究表明,这种观点毕竟可能并不那么简单,而且非常重要的是,这些微生物在调节两种重要营养素以氮素形式通过海底的通量中起着重要作用。以及强大的温室气体CO 2。 ” 他通过提醒我们跟进,高能NATZ并不是特定研究地点所独有的,而是似乎广泛存在于地下,因此在全球范围内具有重要的环境意义。 约根森渴望了解更多关于这些微生物在全球范围内对环境的重要性,他认为这项最新研究是提供此类信息的第一步。他说:“还有很多问题需要解决。” “例如,其他微生物如何从能源和生物量的增加中受益?或者这些微生物对能源格局变化的反应有多快,它们的增长率是多少?此外,我们想进一步研究其他高能区下入沉积物,其中的能量如果您有合适的代谢机器来收集它,也可以使用,这也可能会影响地表和地下世界之间的通量。这些都是我们要研究的方面。”
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    • 8月10日,War on the Rock网站(美国分析和评论政策及国家安全问题的平台)发布的《合成生物学:双重用途新技术的希望和危险》(Synthetic Biology: The Promise And Peril Of A New Dual-use Technology)报告指出,合成生物学是一种相对较新的技术,其未来的应用越来越受到工业界和学术界的关注。与其他技术一样,合成生物技术也具有潜在的双重用途(商业和军事用途)。 尽管很多科学家和工程师们都期待合成生物学技术能够创造出新的商业化工艺和产品,但是一些专家警告,合成生物学也有可能革新军事力量——尤其是那些新型的军用生物毒剂和传染疾病,一旦被错误使用将会非常危险。 报告指出,美国约翰·霍普金斯大学健康安全中心(John Hopkins Center for Health Security)近期举办了一场集体演习,假设一种名为“Clade X”的生物工程病毒被一个暴力极端组织作为武器故意释放,并且在20个月后就造成了1.5亿人死亡。美国列克星敦研究所(Lexington Institute)的防务工程顾问和军事分析专家Loren Thompson警告称,合成生物学可以让一种超级病原体发展到“能够威胁大量人口生存,甚至是危及整个文明存活的”地步。尽管这些担忧可能还为时过早,但是美国政府必须要充分考虑到国家和非国家行为体滥用这种新型生命科学技术的可能性。 关于核技术、生物和化学技术的双重用途的争论早已不是什么新鲜事了。虽然核物理已经明显改善了发电技术和健康科学,但是核武器同样也增强了持有国的军事力量,并且在大部分情况下,还带来了与商业核技术密切相关的核扩散挑战。 数十年来,人们一直担心化学与生命科学的进步会导致生物工程病毒和新型化学武器的发展。与此同时,工业界却利用这些同样的技术进步为普通大众提供了新的家用产品和更广泛的奢侈服务选择。包括定向能武器、商用无人机和网络系统在内的其他两用技术所面临的挑战基本上都是“如何在这些技术的商业化增长和防止它们被用于威胁美国安全之间取得平衡”。 为了响应美国国防部副部长Chris Hassell的要求,美国国家科学院于2018年6月完成了一项名为“合成生物学时代的生物防御”的研究,该研究主要调查生物有机体生成致病因子或毒素的可能性操作。该研究试图解决三个问题:与合成生物学有关的安全性问题有哪些?这些安全威胁出现的时间有多快?以及避免这些问题出现的选择有哪些? 美国国家科学院发布的《合成生物学时代的生物防御》(Biodefense in the Age of Synthetic Biology)报告提供了评估上述问题的框架,分别确定了对于重新构建已知致病病毒、增加已知细菌危险性,以及通过原位合成(在人体内)制造生化物质这些问题中最重要的关注点。根据该报告,好消息是这项技术的掌握仅限于拥有先进实验室和良好资源的国家。就暴力极端主义组织目前的能力来说还无法掌握。坏消息是,技术变革的快速发展为美军潜在武器系统的最终开发和利用带来了很大的不确定性。 随着技术和潜在威胁的演变,美国各政府机构(包括国防部、卫生部、国土安全部、农业部和商务部)将对合成生物学产生兴趣。届时美国政府应如何制定指导这项新技术发展的战略? 美国政府在2017年国家安全战略中明确将生物威胁定性为一个令人关注的问题。战略报告指出,无论是故意袭击、意外还是自然爆发,目前美国本土的生物威胁正在增多,需要采取行动从源头上解决这些问题。然而该政策声明与2009年美国国家应对生物威胁战略没有显着差异。它没有为解决合成生物学的两用挑战提供足够的指导。英国政府近期发布了一项比2009年美国战略更进步一些的“生物安全战略”,但仍然错误地试图用同一套指导方针解决所有生物威胁。 美国政府应该在制定政策鼓励合成生物学的商业增长的同时监测生物威胁的潜在发展。这绝非易事,良好的政策依赖于明确的定义、明确的角色与权限分配,还有为确保政策取得进展所做出的评估。如果美国政府希望在这一方面做出强有力的协调工作,那么必须意识到,不能单纯只让医疗专业人员应对这种多样化的生物威胁,同样重要的是要明确各个不同的机构都要有不同的关注点。 解决这一项新型两用技术问题需要设计一种精细而深思熟虑的方法,而不是套用墨守成规的样板策略。 定义问题 合成生物学远远不止是基因工程。它融合了生物学、计算机科学以及用以创建标准化自动化生物系统的工程学。虽然合成生物学可能涉及对生物材料的操作,但其实际的应用远远超出了基因改造食品或动物的范围。比如说,合成生物学可以通过在生物体中修改现有特征或引入新特征来制造新产品。这种方式往往比传统技术更具兼容性和更便宜。 许多人都熟悉3D打印在商业和国防应用方面的潜力。美国可以考虑通过采用类似的工程方法来解锁技术的潜力:使用纳米级的生物和化学材料来制造非油井来源的喷气燃料,使用细菌运行的电池,使用不需要窑的砖和更环保的工业化学品等。 此外,合成生物学在开发新的医疗对策和诊断方法方面带来显着的益处。 与过去几十年的生物技术蓬勃发展相似。美国政府在制定关于合成生物学技术相关政策时,要考虑到这种政策不能过度妨碍工业,但又可以对滥用生物技术的危险进行一定程度的监督。正如2015年美国国家科学院早期报告所指出的那样,工业正在以更低的成本、更快的生产速度和更高的生产能力生产生物基产品。 至少要有一个监管制度来确保这些新生物、新化学产品和新方法的安全商业化。2018年美国国家科学院的报告就增加现有病原体危险性、以新方式制造化学品和生物化学品以及制造人类宿主生物武器这三个方面相关的问题进行了一个可靠严谨的评估。需要明确的是,任何国家在合理地使用这种技术开发新型生物武器之前,仍然需要解决一些重大障碍。该报告的评估框架能够指导政策制定者在新技术发展过程中应注意什么问题。最大的挑战在于要将这些观察结果转化为持续有效的国家政策。 国家安全战略对以合成生物学为手段发展新型和危险病原体的关注是毋庸置疑的,但更大的国家安全挑战很有可能来自该领域新的商业和军事产品的开发。很显然,这项技术不是美国专属的。其他国家也希望开发合成生物学的潜在好处。特别是中国在这一领域正在迅猛发展,美国应该对其在美国制药公司的大型投资进行严格审查。 制定一项国家政策 《2017年国防授权法案》(2017 National Defense Authorization Act)要求国防部、卫生部、国土安全部和农业部制定新的国家生物防御战略与实施计划。特朗普政府尚未公布这一计划,但如果它仍然与以往应对一般生物威胁的国家战略相类似的话,那么该计划将会是更多地对生物有机体威胁进行一个总体的概括,而不是具体明确执行机构的行动方向。这种制定计划的方法也许对医疗专业人员有指导意义,但是对于制定军事行动、打击恐怖主义和保护国土安全领域政策方面却毫无裨益。 美国政府的事故管理方法主要是“全危害”(all-hazard)响应,在可允许的框架范围内整合政府的各种能力来缓解蓄意造成的和自然的威胁。 目前很难评价政府在应对生物威胁方面做得如何。2009年的国家战略错误地混淆了生物疾病暴发和生物恐怖主义事件,因此对政策制定的指导毫无帮助。美国政府不能一直采取这样的做事态度,他们必须清楚生物威胁并非都是同质的,不能用一套模板解决所有的问题。 在政府内部,当“生物威胁”这一话题出现时,“生物防御”、“生物保障”、“生物安保”和“生物安全”等专业术语常被随意使用并且被胡乱定义。这些术语对不同的机构来说意味不同。例如,非医疗人员可能会特别惊讶于生物学监测原来不是用于监测危险的生物有机体,而是用于监测整个生物环境中包括化学、生物、辐射、自然和人为的危害,以及这些危害对人类、动物和植物的影响等。 由于各机构之间缺少良性的协调,美国政府在建立重复项目上面浪费了大量的时间和资源,更糟的是,忽略了机构之间明显的能力差距。要制定一项利用合成生物学潜在商业用途的国家战略,并且同时减轻心术不良者试图开发新型生物武器时所带来的影响,将需要更灵活的手段。 在寻求降低对商业化事业造成影响的过程中,政策制定者所面临最大的问题是他们在“如何防范传统和非传统生物威胁”方面缺乏足够的指导。这就是为什么政府不应该采取一种“试图解决所有自然疾病暴发和人为生物威胁”的普适性政策办法,而应明确阐述其长期的发展内容和目标。