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Wyss Institute的科学运营围绕六个支持技术平台组织,这些平台专注于开发新的核心技术和能力,这将促进生物启发工程领域的主要研发领域的爆炸式增长。这些平台将多名教师与先进的技术团队,临床专家和行业合作伙伴相结合。该研究所的平台有:
*自适应材料技术:由仿生材料和设备组成的集成多尺度结构,可动态适应其环境,用于能源和环境应用,例如利用能源,热量和水的建筑材料
*预防医疗和细胞设备:开发可控和动态设备,预测和检测体内的故障和感染,并通过利用人体生理学的动态和变化的性质来干预以恢复健康,以设计新的性能评估,诊断方法和治疗干预
*仿生机器:开发计算机算法和传感器/执行器材料,使机器人能够集体行动以响应环境的变化,例如成群的飞行昆虫机器人,以帮助减少蜂群的数量
*合成生物学:为生物分子和全基因组的定向进化创建大规模并行功能,用于细胞重编程,药物输送,再生医学和生物能源
*仿生微系统:工程微系统技术,重建复杂的人体器官水平功能,用于药物测试,诊断和治疗应用
*可编程纳米材料:为再生医学和药物输送应用创建可靶向的自组装纳米技术
用于控制野生害虫或携带疾病的生物和入侵物种的遗传干预措施,以及用于调查真菌病原体中的抗药性。
自20世纪40年代以来,研究人员一直在考虑使用基因驱动来消灭害虫和疾病媒介的数量,并减少或消除对自然生态系统造成严重破坏的入侵物种。基因驱动的想法源于自然本身,在有性繁殖生物体中,基因的某种形式优先传递给下一代,随着时间的推移成为群体中的主导。在人类干预工作中故意部署、传播的显性基因修饰,例如,通过在多代中偏向一种性别的产生,迫使有害的疾病载体下降并丧失其潜在危险。
Wyss研究所的研究人员利用他们以前帮助开发的多功能RNA指导基因组编辑工具CRISPR-Cas9,作为合成DNA修饰基因驱动的一部分,原则上可以扫描大群体,可能改变性别比例或其他生物学特征进行中。
基于基因组学的益生菌营养补充剂,可以提高每天运动员的表现。
精英运动员拥有非凡的身体能力,使他们能够达到最佳表现并迅速恢复。问题是,我们能从他们的生物学中提取信息并用它来提高表现水平并加速每天运动员的恢复吗?
过去几年在不同实验室的研究发现肠道微生物组的组成与不同的生理过程之间存在潜在联系,包括整体代谢、免疫和神经功能,这反过来又会影响运动表现。此外,在优秀运动员中发现的有益细菌可以增强和重建一般人群中的肠道微生物组以改善健康。
基于这些见解,并使用高通量的新一代测序技术,Wyss研究所的研究人员正在比较运动员在高峰表现之前,期间和之后的肠道微生物组细菌以及随后的恢复阶段与非运动员和每日运动员的比例。这种可比较的纵向分析揭示了特定细菌物种丰度的瞬时变化,甚至是个体物种的遗传变异的瞬时变化,这些变异与涉及非凡耐力,速度或力量的各种运动相关并可能有助于推动峰值表现。
走向模仿人类大脑生理学以研究发育和疾病的多细胞类器官模型。
衍生和操纵多能干细胞的能力为健康和患病条件下的生物系统建模开辟了新的途径。为了更充分地概括组织微环境及其细胞 - 细胞,细胞 - 细胞外基质和细胞 - 生态位相互作用,必须将干细胞培养从单层细胞转变为3D结构。已经报道了将各种细胞类型自组织成类似于人类组织(例如脑,肝,肠,肾和视杯)的3D类器官结构,并且具有很大的潜力来阐明细胞如何确定其发育命运以及该过程如何受到导致疾病的遗传和环境扰动的影响。
一种纳米器件,可以感知环境刺激并产生用于诊断和其他合成生物学应用的蛋白质
合成生物学的新兴领域是设计人工基因回路,识别其环境中的分子并通过调节具有所需活性的基因来应对。将来,这些能力可以允许将细胞工程化为诊断或治疗装置,用于生产临床或工业上令人垂涎的分子的工厂,以及用作环境修复的专用装置。合成基因回路也可以在活细胞外使用,并固定在支撑材料如纸上。然而,构建高效可靠的合成基因回路的当前限制是兼容的高性能部件的相对稀缺性,其可以解释复杂的环境并可靠地控制基因表达。
Wyss研究所的研究人员设计了一种新型调节器,即“Toehold Switch”,能够精确控制感兴趣基因的表达,以响应各种合成生物学应用中的特定环境刺激。
George Church
George领导Wyss研究所的合成生物学,负责监督分子、聚合物和全基因组的定向进化,以创造应用于再生医学和化学品生物生产的新工具。他最近在Wyss工作的是开发一种合成整个基因和工程化全基因组的技术,比现有方法更快,更准确,成本更低。George因其对基因组科学的创新贡献以及他对化学和生物医学的许多开创性贡献而广受认可。1984年,他开发了第一种直接基因组测序方法,该方法产生了第一个基因组序列(人类病原体,幽门螺旋杆菌)。他于1984年帮助启动了人类基因组计划,并于2005年启动了个人基因组计划。George发明了分子多路复用和标签,同源重组方法和阵列DNA合成仪的广泛应用概念。他的许多创新成为许多公司的基础,包括Editas(基因疗法); Gen9bio(合成DNA); 和Veritas Genetics(完整的人类基因组测序)。
George是哈佛医学院的遗传学教授,哈佛大学和麻省理工学院(MIT)的健康科学与技术教授。他是美国能源技术中心主任和美国国立卫生研究院基因组科学卓越中心主任。他获得了许多奖项,包括富兰克林学院颁发的2011年Bower奖和科学成就奖,以及美国国家科学院和工程学院的选举奖。
James J. Collins
James正在开发创新的方法来重新编程生物,特别是细菌,以执行所需的任务,例如检测和治疗感染。这些重新设计的生物可以导致更便宜的药物,快速诊断测试和合成益生菌,以治疗抗生素耐药性感染和一系列复杂疾病。James的研究小组从事合成生物学和系统生物学研究,特别注重利用网络生物学方法研究抗生素作用,细菌防御机制和抗药性的出现。他的工作是合成生物学新领域的一部分,James通过将科学与工程结合起来构建可以对生物体进行编程的生物电路,这就像我们现在对计算机进行编程一样。他还是系统生物学,随机共振,生物动力学的先驱,和神经刺激,目的是改善生理和生物系统的功能。他的研究导致了一类新的医疗设备,例如振动鞋垫,为使用者的脚提供感官增强刺激。James在Wyss的团队正在开发这些鞋垫用于各种目的,例如改善老年用户的平衡。
James是麻省理工学院医学工程与科学的Termeer教授和生物工程教授,也是哈佛大学麻省理工学院健康科学与技术学院的成员。他是哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的核心教员,也是麻省理工学院和哈佛大学广泛研究所的研究员。他的许多奖项包括罗德奖学金,麦克阿瑟“天才奖”,国立卫生研究院院长先锋奖,以及众多教学奖。
Neel S. Joshi
生命系统与材料工程师完全不同的方式构建结构。利用中心范例和其他生物合成途径,他们能够通过自组装创建材料,从按需生产的构建块,以及高度的分子定制。事实上,自文明出现以来,人类一直依赖植物和动物来源的材料。有机工程的相对最新进展开辟了与利用生物合成生产新材料相关的新领域,这些新材料具有使用常规合成技术难以创建的定制功能。
Neel的团队设计微生物,使他们不仅可以合成新的蛋白质和其他分子构建模块,而且还可以将这些构建模块组装成更高级的结构和功能材料。具体而言,Neel的实验室开创了一种技术,将细菌生物膜的基质蛋白重新用作可编程材料支架,可以轻松便宜地生产。实验室的一个重点是使用该平台使用基因工程非致病细菌在胃肠道内原位生成活体材料,并使用工程材料与宿主进行相互作用。实验室的另一个重点是探索使用工程细菌生物膜作为选择性去除或纯化各种可溶性成分的材料,可能与水净化有关。该实验室还对材料科学,合成生物学和合成化学的界面感兴趣。
William Shih
William正在监督将合成生物学方法应用于开发用于生物医学应用的自组装DNA纳米结构和装置的努力。除携带遗传信息外,人们越来越多地探索DNA作为建筑材料。这个新的过程称为DNA折纸,因为可以对长链DNA进行编程以折叠自身以创建特定形状,就像折叠单张纸以在日本传统艺术中创建各种设计一样。使用长生物学产生的DNA链来构建具有精确指定形状的颗粒,William能够接近与细胞中发现的分子机器相当的复杂程度。要实现更复杂的结构,他的实验室是将这些颗粒分层组装成三维网络的先驱方法,具有对化学功能化和机械驱动的位点特定控制。这项工作可以带来制造业和医药领域的突破。例如,这些令人难以置信的微小形式可用作分子制造机器中的齿轮,用于生物成像的光学报告器,以及用于在体内深处输送癌症药物的载体。威廉在Wyss的可编程生物材料公司工作,最近创建了由DNA组成的纳米装置,这些纳米装置可自行组装,并可根据需要进行编程以移动和改变形状。与现有的纳米技术相比,这些可编程纳米器件非常适合医疗应用,因为DNA既具有生物相容性又可生物降解。
William是哈佛医学院生物化学与分子药理学系教授,Dana-Farber癌症研究所癌症生物学系教授。2008年,威廉获得了美国国立卫生研究院颁发的新创新奖,并于2013年被评为布拉瓦特尼克国家奖入围者。
Pamela Silver
Pamela正在建造合成细胞,来充当诸如传感器、记忆设备、生物计算机、高价值商品的生产者和来自太阳的能量,以及新型子系统,例如具有治疗用途的设计特性的蛋白质。在她最近的创新中,有能够感知和应对肠道炎症的细菌,有仿生叶,它们以超过植物的效率将阳光捕获与生物生产结合起来。了解如何以合理的方式对细胞进行编程将对干细胞设计,药物治疗和环境具有价值。
Pamela是哈佛医学院系统生物学系的创始成员之一,她在那里经营银色实验室。她是哈佛大学研究生课程的第一任主任。她的作品获得了BIO2007的创新奖和Innocentive奖,并得到了NIH,DARPA,DOD,DOE,NSF,诺华,默克和摩尔基金会的资助。Pam被授予NIH MERIT奖,并成为Radcliffe研究所的研究员。她被评为全球二十大合成生物学影响者之一,生物经济学前300名,并且是华盛顿特区哲学学会的约瑟夫亨利讲师。Pam曾在众多政府和私人顾问小组中任职。2012年,Pam被任命为哈佛大学的Elliot T和Onie H Adams生物化学与系统生物学教授。她曾在众多编辑委员会任职,包括Nature Molecular Systems Biology,BMC Systems Biology,Genes and Development,ACS Synthetic Biology和BioRxiv。她是细胞分子生物学的编辑,曾在美国细胞生物学会理事会和细胞生物学女性委员会任职。她是iGEM.org的创始人之一和董事会成员。
尹鹏(Peng Yin)
尹鹏是哈佛医学院系统生物学系的教授。Peng的实验室使用合成的DNA / RNA来构建,操作和可视化纳米级结构。他们开发了一个通用框架来编程DNA / RNA链,以自组装成具有用户指定几何或动态的结构。通过将这些纳米结构与其他功能实体(例如荧光团,蛋白质,无机物,活细胞)连接起来,他们将数字可编程性引入不同的应用领域,例如制造具有用户指定形状的无机纳米粒子,具有接近最佳结合的强大DNA / RNA探针检测单碱基遗传变异的特异性,基于RNA合成机构以前所未有的动态范围和正交性的复杂的编程蛋白质翻译在活细胞和纸质系统,和高度多路(10 +),精确定量(90% +精度)、超高分辨率(< 5 nm)使用DNA-PAINT超分辨率成像。