合成生物学研究所：美国西北大学合成生物学中心

网址： https://syntheticbiology.northwestern.edu/

合成生物学使用来自物理、工程和计算机科学的工具和概念来构建新的生物系统。这项研究的重点是通过改变细胞的DNA进行重新编程，使其具有新的、专门的用途，例如创造可持续的化学物质、下一代材料或靶向治疗。

西北大学-合成生物学中心由生物医学工程、化学、细胞和分子生物学教授Henry Wade Rogers Mrksich和化学和生物工程副教授Michael Jewett共同领导。

Jewett说:“该中心将专注于科学和技术交叉的研究，为技术转让、临床翻译和商业化创造机会。”“我们的教育重点将有助于创建一个紧密结合的社区，进一步加强这一领域。”

该中心的顾问委员会包括三名国际知名的科学家和工程师:弗朗西斯阿诺德，迪克和芭芭拉迪金森教授化学工程，生物工程和生物化学在加州理工学院;James J. Collins，麻省理工学院的Termeer生物工程教授;以及加州大学旧金山分校(University of California at San Francisco)细胞和分子药理学教授温德尔林(Wendell Lim)。

Jewett因其在合成生物学方面的努力获得了科学与工程领域的David and Lucile Packard奖学金和Camille Dreyfus教师学者奖。他在该领域做出了巨大的贡献，包括将核糖体重新用于制造新材料和治疗学。Mrksich通过开发一种技术从根本上加速了生化反应的测量，提高了蛋白质的生产、纯化和表征，其规模是目前普通蛋白质的1000倍，从而推动了这一领域的发展。

认识到理解新兴技术的伦理含义的重要性，该中心还包括成员Laurie Zoloth、Feinberg医学院的生物伦理和医学人文教授以及Weinberg艺术与科学学院的宗教研究教授。

对合成生物学越来越感兴趣的另一个迹象来自本科生。国际基因工程机器竞赛(简称iGEM)目前吸引了全球200多支学生队伍，其中包括一个由伦纳德、朱伊特和泰奥共同指导的西北大学团队。西北大学的iGEM团队在2012年获得了最高荣誉，他们开发了一种基于大肠杆菌的生物传感器，可以帮助检测医院环境中是否存在病原体。

该中心将继续支持iGEM团队，为这些积极上进的本科生提供一个家，并与主要教师进行协商。此外，该中心还将与INVO、西北大学创新与创业办公室建立紧密联系，因为许多项目将为商业化提供新的机会。

“我们以有机的、拼凑的方式发展，”科西奇说。“我们的学生彼此认识，但他们不认识整个社区。该中心将巩固他们的经验，这样我们就可以团结起来，共同应对该领域的真正挑战。

合成生物学使用物理学，工程学和计算机科学的工具和概念来构建新的生物系统。大多数合成生物学研究都侧重于通过改变DNA来重编程细胞。一旦重新编程，细胞就可以具有新的专业目的，例如创造可持续化学品，下一代材料或靶向治疗。

合成生物学中心的研究来自物理学，工程学和计算机科学的工具和概念探索四个独特的主题：无细胞系统，哺乳动物系统，使能技术，道德和社会影响。

无细胞系统

提供前所未有的设计自由，以修改和控制生物系统。

合成生物学中心的目标是用无细胞生物学来改造生化工程。无细胞生物学在没有活的完整细胞的情况下激活基本的细胞过程(例如，翻译)。无细胞系统提供了一种前所未有的设计自由，可以修改和控制生物系统。尽管这种方法在历史上只用于研究，但它将粗细胞裂解物转化为具有制造药物蛋白和生物分子商业潜力的“工厂”。

哺乳动物系统

通过基于定制编程细胞功能的新平台和治疗策略来影响医学。

合成生物学中心寻求通过哺乳动物合成生物学的应用，使新型医学技术得以发展。近年来，在一些癌症的治疗和潜在治愈方面的突破，预示着哺乳动物细胞为基础的工程设备的前景。为了将这些成功扩展到一系列疾病和应用中，我们致力于开发基于自定义编程的新型细胞功能的新平台和治疗策略——这是目前的方法无法达到的能力。我们还寻求发展将这些方法转化为安全有效的临床技术所需的基本理解。最终，实现合成生物学影响医学的全部潜力可能包括设计各种生物系统，以一种可编程和有益的方式与我们的哺乳动物生物学相结合。

使能技术

重新构思我们围绕生物学构建的整个框架，为生活世界编程提供新颖的工具。

合成生物学中心的中心目标是开发高通量的实验工具，使多组分生物合成转化的优化和理解成为可能。即使是简单的生物合成过程也可能需要若干酶、若干辅助因子以及缓冲液中确定的离子和代谢成分——在缓冲液中，一种酶的最佳环境可能会损害另一种酶的活性。因此，有数量惊人的理论反应设计，可以成功地生产所需的产品，但现实的限制，现在面临的装配和测试每一个严重限制了那些可以测试。最初在药物发现中开发的高通量筛选工具现在为快速设计、识别和理解最佳生物合成途径的技术提供了一条途径。本课题结合工程平台、蛋白质的并行表达和计算分析来识别数据中的设计规则。

道德和社会影响

利用工程和技术探索新的生命伦理问题，并评估如何最大限度地提高社会效益。

除了开发新工具和获取新知识，合成生物学中心致力于以积极的方式影响社会。我们正在许多层次上追求这一目标。我们正在解决将使低收入和中等收入国家的人民受益的技术差距。我们有一个活跃的企业家群体，以确保技术转化为对社会的积极利益。最后，我们着重探讨合成生物学技术发展所产生的新的生物伦理问题以及可能产生意想不到的后果或双重用途。其中一部分是训练科学家在推动技术进步时考虑更大的伦理影响。

Milan Mrksich

生物医学工程、化学、细胞和分子生物学教授

Milan Mrksich在西北大学生物医学工程、化学和细胞与分子生物学系任职。他于1994年从加州理工学院获得博士学位，之后作为美国癌症协会研究员在哈佛大学完成博士后研究。Mrksich博士的实验室在开发生命科学中发现和解决问题的材料方面处于领先地位。他已开发出模仿细胞外基质的表面化学方法，并利用这些方法发现了介导附着细胞粘附和信号传导的配体，为细胞功能与材料的整合提供了机会。他还开发了SAMDI质谱法，可以对酶功能进行高通量的表征，并将该技术商业化，以支持药物开发。他的实验室专注于评估大量的酶系统，以识别和优化那些可以有效产生感兴趣的目标分子的酶系统。Dr. Mrksich发表文章175余篇，被任命为HHMI研究者，并获得Searle学者奖、ACS Cope学者奖、TR100青年创新者奖、Sloan奖和camile - dreyfus教师学者奖。

Michael Jewett

化学与生物工程副教授

Michael Jewett是西北大学化学和生物工程副教授。他于2005年在斯坦福大学获得博士学位。2009年，在完成博士后研究后，他加入西北大学，在丹麦的微生物生物技术中心担任美国国家科学基金会(NSF)的国际研究员，在哈佛医学院(Harvard Medical School)担任美国国家卫生研究院(NIH)的独立研究员。Jewett博士的实验室正在开发无细胞生物技术，使之成为一种快速、按需生产救命疗法、可持续化学品和新材料的生物制造技术。他的实验室致力于蛋白质合成和代谢的生物系统的设计、构建和修饰，有望为合成生物学发展提供新的范式。Jewett博士是美国国立卫生研究院“通向独立之路”奖、戴维·帕卡德和露西尔·帕卡德科学与工程奖学金、DARPA青年教师奖、安捷伦早期职业教授奖、3M非终身教授奖和卡米尔-德雷福斯教师学者奖的获得者。

Joshua Leonard

化学与生物工程副教授

Joshua N. Leonard是西北大学化学和生物工程副教授。伦纳德2000年获得斯坦福大学学士学位，2006年获得加州大学伯克利分校博士学位。伦纳德随后在美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)的实验免疫学分支机构接受博士后培训，并于2008年加入西北大学(Northwestern University)。伦纳德的研究小组设计了一种新型的生物系统，可以为生物技术和医学的应用提供定制的、复杂的功能。利用哺乳动物合成生物学、生物分子工程和系统生物学的工具，该小组开发了包括可编程的基于细胞的“设备”在内的技术，这些“设备”以一种特定于患者和疾病的方式探测和调节免疫反应。应用包括癌症的新疗法、可编程的智能疫苗和新的基因治疗平台。伦纳德集团正在推进以设计为基础的医学前沿，以解决未被满足的医学需求，提高生活质量和数量。伦纳德博士曾获得美国国家卫生研究院癌症研究培训奖、300万非终身教职员工奖、克拉伦斯·弗斯汀研究生导师卓越奖，并作为专家证人在美国众议院就“21世纪生物学”问题作证。他还联合指导了一个生物技术、系统和合成生物学的研究生群，并成立了西北大学的国际基因工程机器(iGEM)团队。

Keith Tyo

化学与生物工程助理教授

Keith E.J. Tyo是西北大学化学和生物工程的助理教授。Keith获得麻省理工学院博士学位，是美国国家卫生研究院国家研究服务奖瑞典查默斯大学博士后。在西北大学，Keith共同领导重组蛋白生产核心设施，并在生物技术硕士项目(MBP)中颁发了全球健康和可持续生物技术证书。基思的研究兴趣是合成生物学和全球健康的交叉领域。致力于低成本的医疗诊断，Tyo实验室开发了一个平台，使微生物能够检测重要的临床生物标志物。他的小组的目标是实现基于细胞的分布式诊断，以便在贫困的农村环境中更好地诊断和治疗艾滋病毒、结核病和疟疾。为了降低药物合成的成本，他的团队设计微生物来生产非天然药物(以降低化学合成的成本)。Keith的研究成果已经在《科学》、《自然生物技术》、《BMC生物学》和其他出版物上发表。Keith获得了许多荣誉，包括国家科学基金会职业奖，西北大学可持续发展与环境研究所早期职业奖，以及美国国立卫生研究院转型研究奖。

Neda Bagheri

化学与生物工程助理教授

助理教授内达·巴盖里在她的整个学术生涯中积极寻求跨学科和跨学科的研究机会。她开始在加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)接受电气工程师的培训，后来转到麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)攻读博士后。2012年，她在美国西北大学(Northwestern University)开始了自己的学术生涯，领导了计算算法和模型的发展，这些算法和模型为理解和调控突发性生物功能提供了信息。具体的研究兴趣包括发现控制衰老、癌症、细胞命运和免疫反应的细胞内和细胞间的基本特性。到目前为止，她已经在工程、医学血液学/肿瘤学、医学-肺、化学、细胞和分子生物学等领域建立了富有成效的合作。在西北大学以外，更大的科学界将Bagheri教授视为思想领袖;她参加了许多大挑战讲习班，并在国际和国内会议方案拟订委员会任职。她定期参加STEM拓展活动，并培养一个工程、科学和医学交叉的实验室环境。

Julius B. Lucks

化学与生物工程副教授

Julius B. Lucks是西北大学化学和生物工程系的副教授。以米勒研究员的身份在加州大学伯克利分校完成博士后研究。他的研究结合了实验和理论，提出了关于设计原则的基本问题，这些设计原则决定了RNA在生物体中的折叠和功能，以及这些原则如何用于设计生物分子系统。他的团队率先开发了基于RNA的合成基因线路，以及SHAPE-Seq技术。该技术利用下一代测序技术，以前所未有的产量表征RNA结构，目前正被用于揭示RNA结构在整个基因组的基本细胞过程中发挥的调节作用。他的实验室专注于用合成的RNA电路动态编程细胞行为，并使用/开发SHAPE-Seq来理解细胞内RNA的折叠动力学。由于他开创性的研究努力，他被授予DARPA青年教师奖、Alfred P. Sloan基金会研究员、ONR青年研究员、NIH新创新者、NSF职业奖，并获得2016年ACS合成生物学青年研究员奖。

Danielle Tullman Ercek

化学与生物工程副教授

Danielle Tullman-Ercek是西北大学化学和生物工程系的副教授。丹妮尔在芝加哥伊利诺斯理工学院获得化学工程学士学位，在德克萨斯大学奥斯汀分校获得化学工程博士学位。她在加州大学旧金山分校和联合生物能源研究所进行博士后研究，同时也是劳伦斯伯克利国家实验室的一部分。2009年，她加入了加州大学伯克利分校的化学和生物分子工程学院，先后担任化学工程查尔斯·威尔克基金主席和默克生物工程主席。2016年，她将实验室搬到了西北大学。她的研究重点是构建生物分子器件，用于生物能源、活电池和药物递送等领域的应用。她对工程多蛋白复合物特别感兴趣，比如在细胞膜上运输蛋白质和小分子的机器。她是工程生物学研究中心(原合成生物学工程研究中心)的成员，因其在利用蛋白膜构建细菌细胞器方面的工作而获得NSF职业奖。

Arthur Prindle

生物化学与分子遗传学副教授

Arthur Prindle是西北大学范伯格医学院生物化学和分子遗传学的助理教授。普林德尔博士在加州理工学院获得了化学工程学士学位，在加州大学圣地亚哥分校获得了生物工程博士学位。在此期间，他还在麻省理工学院的科赫研究所从事研究项目。他的荣誉包括来自巴勒斯威尔斯康姆基金会和阿斯彭物理旅行中心的凯西奖学金。他目前是西蒙基金会海伦·海·惠特尼基金会的研究员。他的研究兴趣集中在理解细菌如何在生物膜群落中交流的原理。

Neha Kamat

生物医学工程助理教授

Neha Kamat是西北大学生物医学工程的助理教授。Neha在莱斯大学获得生物工程学士学位，在宾夕法尼亚大学获得生物工程博士学位，并在哈佛大学和马萨诸塞州总医院作为NASA博士后完成博士后培训。她的研究小组利用膜生物物理学、显微镜和膜重组技术组装人造细胞。她的实验室提出了关于膜特性如何影响膜蛋白活性的基本问题，并设计了利用膜生物物理变化来执行复杂化学行为的新技术，如反应起始或分子释放。