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合成生物学连连突破,一文了解最新平台工具

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发表于 2022-1-9 20:59:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
这是《肠道产业》第 856 篇文章

编者按

人类进入 21 世纪以来,一门新兴的交叉学科“合成生物学”成为国际科学前沿一大热门。随着我们对生命过程了解的逐步深入,近年来合成生物学工具和平台也连连突破。

今天,我们共同关注合成生物学的新工具和平台。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

合成生物学

术语“集成电路”已经不再局限于计算机芯片,“逻辑板”一词也不再限于计算机主板,合成生物学家正在将这些术语应用于生物系统上。更重要的是,合成生物学家并不是在类比,而是真正意义上的运用。他们开始用即插即用组件组装生物系统,这些系统和计算机系统一样,都是可编程的。

目前,大部分合成生物学组件是分子途径中的开关、振荡器以及门控通道,它们被用来重设计活细胞,从而重新利用这些活细胞。这些经过合成生物学改造的细胞正在药物发现和开发领域中展现出令人兴奋的应用:一些细胞可以作为灵活和强大的生物制药生产平台,一些细胞本身就是药物。

在本文中,我们将介绍几种基于合成生物学开发的新工具和平台。

一套大规模的CRISPR工具

Mammoth Biosciences 公司的研究人员通过分析宏基因组学数据,来寻找新的 CRISPR 系统。Mammoth 的联合创始人兼 CSO Lucas Harrington 博士表示,该公司拥有来自各种地点(包括火山、温泉和南极冰层)、各种类型(包括动物粪便)和各种宿主(包括人类)的微生物基因组学数据。Harrington 说:“挖掘新数据,推动新应用。”

Mammoth 公司采用自上而下和自下而上相结合的方法,为每个应用场景找到最佳的 CRISPR 工具。该公司“discovery first”的方法解释了酶的工作原理,自下而上的视角确定了能够满足尚未满足的需求的酶所需具备的特性。

例如,Mammoth 公司使用“discovery-to-application”的过程来开发 DETECTR 系统。该公司的科学家发现,有一种 Cas 酶与向导RNA结合并找到 DNA 靶点后,它就会变成一种非特异性切割器,甚至可以切割报告分子。由于荧光信号、比色信号和电信号可以作为系统中的报告分子,因此这一切割过程可以提供实时结果,及时报告目标序列已被找到。

Mammoth 公司最近表示,它正在准备一项基于 CRISPR 的 COVID-19 高通量测试的紧急使用授权(EUA)申请。同时,该公司还在研发其它呼吸道病毒的检测方案,因为新冠疫情的爆发表明,需要区分流感、呼吸道合胞病毒和 SARS-CoV-2 等不同传染性病原体。

Mammoth 公司的联合创始人兼首席技术官 Janice Chen 博士强调:“CRISPR 检测的强大之处在于它的灵活性。你可以对向导 RNA 进行编程,以追踪不同的目标,这实现了多重检测,也就是说可以同时检测不同的目标序列,并从一个样本中获得多种诊断结果。”

在治疗领域,最激烈的研究领域之一是寻找紧凑型 CRISPR 蛋白。传统的 CRISPR 蛋白质非常大,很难输送到所期望的组织。

Harrington 称:“尽管我们正在开发的系统比 Cas9 体积小,但由于数亿年的自然选择,这样小的体积也已经能够达到很高的精度。我们可以将我们的紧凑蛋白质与基于 CRISPR 的高级技术(如碱基编辑)结合起来,并利用编辑的精确性和 Cas14 等较小蛋白质的递送优势。想想拥有这一切后你能做的各种事情,多么令人兴奋。”

可编程性细胞治疗

ArsenalBio 公司的合成生物学高级主任 Aaron Cooper 博士说:“我们的集成电路修饰 T 细胞技术(integrated circuit–modified T cells)允许在 T 细胞癌症治疗中给 T 细胞配置更多治疗功能。”

ArsenalBio 公司利用 PrimerR 逻辑门、CARchitecture 衍生基因表达控制器,及 CellFoundry 介导的非病毒制造平台,来合成集成电路修饰的 T 细胞。包含多功能 DNA 的集成电路可对 T 细胞进行编程,以帮助 T 细胞识别两种抗原,并且仅在两种抗原都存在时才能杀死肿瘤细胞。这种方法可以克服靶向实体瘤的困难,减少脱靶效应。集成电路还可以调节 T 细胞生物学的多个方面,以增加细胞增殖和性能,并提高对免疫抑制性肿瘤微环境的抵抗力。

但是这一方法面临的一个关键挑战是如何将包含多种 DNA 的集成电路递送到细胞中。集成电路太大了,因此难以使用病毒进行递送。Cooper 解释说:“我们必须使用基于 CRISPR 的递送方法,它可以容纳更多的 DNA,并且实施速度更快。这可以让我们减少迭代次数,并以更快的速度进行测试、学习和建立体系。”

另一个挑战是安全。为了应对这一挑战,ArsenalBio 公司需要确保 DNA 插入到基因组的位置远离任何一个基因。Cooper 解释说:“相比于随机整合的病毒或转座子,需要对位点进行选择意味着我们更能预测插入片段后会发生的动态。我们会在非常多的 T 细胞样本中进行测试,我们对未来的体内实验充满了信心。”

AresenalBio 公司一直在使用含有约 8.3Kb DNA 的集成电路。Cooper 声称:“这些进展将帮助我们识别肿瘤的其它机制。基因逻辑板可以让你同时关注多个方面,这样你就可以在解决抗原识别问题的同时,延长疗法的使用时间,并设计出对肿瘤微环境中的抑制因子更具抵抗力的药物。”

一对下一代药物发现平台

SyntheX 公司有两个药物发现平台:ToRPPIDO 和 ToRNeDO。该公司的药物筛选方式依赖于功能性细胞内药物筛选,而非体外筛查。ToRPPIDO 平台可以发现破坏细胞内特定蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)的化合物。而 ToRNeDO 平台则可以发现将蛋白质(E3 泛素连接酶和目标底物)连接在一起的化合物,从而利用泛素化实现靶向蛋白质降解。

这两种技术都依赖于强大的负选择理念。SyntheX 的联合创始人兼首席执行官 Maria Soloveychik 博士说:“从这个意义上说,负选择类似于 NOR 逻辑门的工作原理。无论是反选(counter-selection)还是双阴性报告都缺乏足够的严格性,无法以非常低的错误发现率从数十亿个排列组合中进行筛选。而我们能从高多样性文库(>1010)中以极低的脱靶率筛选有效的化合物。”

“除了内置的选择线路外,我们还想扩大我们可以尝试的化学空间,以实现所需的功能。想要破坏蛋白质相互作用(PPI),从标准的小分子库中找到高亲和力的破坏因子是不太可能的。因此,我们添加了第二个工程层,利用解析结果相同的细胞生成高度多样性的基因编码分子库(约 100 亿个),以供选择。”

由于 PPI 界面往往是大而平的表面,因此文库聚焦于具有多种可变区域的肽类和小型蛋白质支架,以找到能够在正位上阻止相互作用的位点,或者发现能够通过变构干扰 PPI 的新表面或口袋。

这种细胞选择平台绕过了许多体外瓶颈。该方法不需要目标的结构信息,也不需要局限于那些要通过重组产生并在高浓度下进行纯化的结构。SyntheX 公司的平台能识别在细胞内环境和生理条件下表达的目标蛋白分子。这对 ToRNeDO 特别有用。在 ToRNeDO 中,工程和编码系统的组合能够使用由人类基因组预测出的 600 多种 E3 连接酶。通过筛选小分子文库,ToRNeDO 可以鉴定出所需的小分子。


疫苗和药物输送的细菌平台

CHAIN Biotechnology 公司创始人兼首席执行官 Edward Green 博士说:“我们设计的工程梭菌辅助药物开发(CADD)平台具有多种功能和广泛的临床适用性。”

形成孢子的厌氧宿主菌非常适合做成口服药丸或胶囊。孢子可以在胃部和上消化道的高酸性和蛋白水解环境下存活,然后,当孢子到达下消化道时,它们会开始萌芽,形成活细胞。

CHAIN Biotech 公司生产经改造后可以释放疫苗和药物的孢子。当这些孢子到达下消化道时,它们就会开始萌芽,起到预防或治疗的作用。例如,它们可能会释放影响肠道菌群和肠道粘膜,并激活免疫系统的药物。

CHAIN Biotech 公司使用的宿主菌株具有悠久的安全使用历史。该菌株在结肠中自然产生丁酸,这是一种有益的短链脂肪酸,能支持健康肠道菌群的生长。

而且进入体内的细菌不会永久定殖,在停止摄入孢子后,细菌和分泌的治疗药物会从结肠中被冲洗出来,并且还可以通过调整孢子摄入的数量和频率来控制剂量。此外,基于孢子的生物疗法易于制造且高度稳定,并且不需要冷链物流进行全球分销。

Green details 还说:“对于疫苗应用,我们设计了针对肠道粘膜免疫细胞的特异性抗原肽,有可能刺激粘膜和系统免疫,而大多数注射疫苗不会诱导这种免疫。”

CHAIN Biotech 公司一直专注于能治疗或免疫传染病的口服疫苗。该公司开设了针对人乳头瘤病毒(HPV)、人轮状病毒(HRV)和 SARS-CoV-2 的临床前试验项目。

HPV 疫苗旨在通过清除慢性 HPV 感染和预防宫颈癌来发挥治疗作用,这项疫苗的体内原理数据是与牛津大学合作获得的;HRV 预防性疫苗主要针对中低收入国家的营养不良儿童,以预防和治疗儿童腹泻病;口服 SARS-CoV-2 候选疫苗旨在提供长期性、全球性和可持续的疫苗解决方案,特别是针对新出现的变异。

基于一种叫做 β-羟基丁酸的抗炎代谢产物的分泌,CHAIN Biotech 还开发了一种治疗溃疡性结肠炎的候选药物。Green 指出:“我们在疾病模型中获得了概念验证的有效性数据,我们将与合作伙伴共同推进该候选药物的临床发展。”

更多内容,请阅读原文:
https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/synthetic-biology/synthetic-biology-brings-programmability-to-drug-programs/

作者|MaryAnn Labant
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