合成生物学：在细胞外人造基因回路
合成生物学使科学家们可以设计新功能的基因回路，这些回路移植入细胞后，可以合成药物或其他有用的分子。但随着回路越来越复杂，不同功能的基因组件可能相互干扰，这限制了它们执行更复杂的功能。
麻省理工学院（MIT）的研究者发现这些回路可以在单个的合成“细胞”中被分离，隔断彼此的相互干扰。研究人员还可以控制细胞间的交流，使这些回路或它们的产物在特定的时间建立联系。
MIT生物工程和脑研究所的副教授爱德华·博伊登（Edward Boyden）表示，“通过这种方式，我们可以设计有多个组件彼此联系的级联基因回路，同时设法隔离它们，阻止它们的交流”。这样可以避免不同回路在同一个细胞或烧杯中产生复杂的相互作用。
这样一来，研究者可以设计制造复杂产物的回路，或者通过它们监测拥有多种功能的复杂环境的改变。
这项研究于11月14日发表在《自然•化学》（Nature Chemistry）杂志，博伊登是这篇文章的通讯作者。文章的第一作者是之前在MIT工作的博士后凯特•阿达马拉（Kate Adamala）和毕业于MIT的博士生丹尼尔•马丁-阿拉尔孔（Daniel Martin-Alarcon）。MIT的前研究助理卡特里娜•格思里•霍纳（Katriona Guthrie-Honea）也是这篇文章的作者。
回路控制
MIT的研究团队将他们设计的基因回路包裹在脂质体小滴中。与生物膜类似，脂质体表面有一层油脂组成的膜。虽然这些合成的“细胞”不是活的，但是它们拥有正常细胞读取DNA、合成蛋白质所需的绝大部分构件。
通过脂质体隔离不同回路，研究者可以把不能同时或同地工作的回路分隔开，每个回路平行独立地工作，并在可控条件下交流。这种方法使科学家们重新审视基因转录翻译过程中不同工具的功能（包括基因和转录因子（控制基因开关的部件），使它们在同一张网络中执行不同的功能。
“如果把这些回路分装到不同的脂质体中，同一种工具就可以在不同脂质体中执行不同功能。”马丁-阿拉尔孔表示，“这使一种工具能够执行更多功能”。
这种方法也使不同生物体内的回路可以相互联系，比如细菌和哺乳动物。
研究者用茶碱（一种类似咖啡因的药物）进行了演示。细菌体内的回路响应茶碱后，触发另一种分子——强力霉素离开原有的脂质体进入新的、含有哺乳动物基因回路的脂质体。在新的脂质体中，强力霉素激活合成发光蛋白——荧光素酶的级联反应。
这种方法经过改造可以用来合成生物药物，比如大脑或者其他细胞分泌某些小分子，级联刺激抗体尝试。
博伊登表示：“可以把细菌的回路想象成写电脑程序，把哺乳动物中的回路想象成工厂工厂（工厂指一个接口（哺乳动物的回路），不同的类（细菌回路）接入接口后，可以实现实现特定功能）。我们可以把细菌的回路和哺乳动物的回路工厂融合在一个特殊的杂交体系中。”
研究人员同样设计了在可控条件下能够彼此融合的脂质体。这种脂质体膜上有SNARE蛋白，SNARE蛋白可以识别不同脂质体表面的蛋白质，使脂质体融合。通过控制融合的时机，我们可以把生产不同分子的脂质体组装在一起。当细胞融合时，这些分子也组合在一起，产生最终的产物。
更加模块化
研究人员相信，这种方法适用于目前合成生物学应用的所有领域，同时使科学家们重新考虑之前因为基因回路之间干扰不得不放弃的一些潜在应用研究。
博伊登表示，“这项研究并不是针对某种特定的应用。最根本的问题是我们能否把这些回路模块化。仅仅把各种分子乱堆在细胞里，可能不能共存或者产生毒性。在这些反应中建一堵墙可以让它们恰当地交流，这将十分有用”。
明尼苏达大学物理系副教授文森特•诺爱洛克斯（Vincent Noireaux）把MIT这项研究称作“一种了解生物系统工作原理的独特方法”。
没有参与这项研究的Noireaux表示，“这种不依赖细胞的表达体系存在多种优势：技术上它只需要进行简单快速的克隆，我们可以像活细胞一样把信息传递和生物功能联系在一起，此外单独研究一种基因可以避免其他基因的干扰。”
这种方法同样可以帮助科学家们探究几十亿年前的早期细胞的进化方式。通过把简单的回路组装在脂质体中，研究者可以探究细菌是如何获得感受环境变化、响应刺激、繁殖等能力。
阿达马拉表示，“这种方法可以用来模拟早期生命体的行为和性质，也可以让我们确定类似地球上的生命形成的物理界限确定类似地球的生命产生所需的物理条件，帮助我们探索外星生命。”。
翻译：Fawzia
参考：MIT NEWS
（ 来源：DeepTech深科技 2016-11-19 ）
关于合成生物学
那究竟合成生物学是什么？如果用最浅显的语言来描述，合成生物学所致力于的就是智慧细菌的研发和生产。
为此，DT君独家专访了清华大学的谢震教授。他一直致力于哺乳动物胞中的基因线路设计与调控。10月，谢震教授的研究组在自然通讯杂志上发表的文章《控制crisper/cas9蛋白的新策略》，为合成生物学的发展做出重要贡献。
他表示，合成生物学是一个汇聚科学，主要致力于工程化的生命或者是生物的体系。这些生命或者生物的体系能够帮助人们完成特定任务，比如说，制作研究工具让人们对生命的理解更加透彻，或者改造细菌、酵母生产高附加值的化学品或者药品。
总之，合成生物学虽然叫“生物学”，其实却与工程学理念更为接近。相比机械零件、电路元件等传统工程学科，合成生物学摆弄的生物零件更复杂、更多变。研究者通过调控相关基因通路对细胞进行“编程”，让它们像微型工厂或机器一样，生产特定产品或完成特殊任务。
当然，人类的野心不仅在于定向进化这些工程细胞，最终的目标是重新设计一个崭新的生命体。
2010年5月，克雷格·文特尔（Craig Venter，如上图）宣布世界首例人造生命——DNA完全人造的单细胞细菌，文特尔将“人造生命”命名为“辛西娅”（Synthia，意为“人造儿”）。 他的团队去掉了支原体中的遗传物质，并植入自行设计、人工合成的简易基因组，让这些支原体以新的姿态重生，这其实就可以被理解为人造生命。当然，“辛西娅”的躯体源于世界上最简单的细胞，这还只是尝试的开始。
关于合成生物学的应用前景，转基因工程已经为其指明了方向。转基因工程细菌已经为我们提供大部分的蛋白质药物，而转基因通路的工程细菌已经可以做到分解塑料，生产新的材料与药物以及生产生物硬盘存储信息。
谢震教授表示，如果说转基因是给汽车换零件的话，那合成生物学就是改装或是造一辆汽车，因为转基因是对一个基因进行操作，而合成生物学是对多个基因的遗传通路进行系统性设计，具有更强的系统性与工程性。
根据BBC的报告，2015年，全球微生物相关市场已达到1547亿美元，而到2020年，这一规模预计将翻倍，其中最大的客户来自医疗保健业和能源制造业。
据美国联合市场研究报告指出，从 2014 年开始，合成生物学的全球市场在以 44.2%的复合年均增长率直线上升；到 2020 年，合成生物学的全球市场将达到 387 亿美元。欧洲占最大的市场份额，而亚太地区市场增长最快，复合年均增长率达到 46.4%。
无疑，大规模市场需求的出现意味着颠覆性技术的应用即将成为可能，这也就是Zymergen出现的原因之一。
Zymergen到底是一家什么样的公司？
Zymergen公司正是立足于合成生物学的种种优势，利用“所有微生物中的所有分子”，专注于菌株的改善与工业化的转化，向农业、化学与材料、电子科技、香精、保健与药物、家居与工业清洁、个人护理与废物处理等几乎囊括人们生活各方面的诸多行业进军。
但让这家公司如此自信的，还不仅仅是这一新兴学科的耀眼光环。
Zymergen公司的实验室
在合成生物学中，一条代谢通路通常拥有十几或几十个基因表达产物——有些对生产率的改善微不足道，有些却举足轻重，而代谢通路之间也经常存在交流，互相调节。想要成功制造一个工程细菌，一般要经过成百上千次的实验试错，一步步逼近正确答案。
在分子生物学中所提到的代谢通路（metabolic pathway），通常是指某个或某几个基因表达所涉及的全部酶或信号分子。细胞内这些不同代谢通路组成了代谢网络，令生物保持其内环境稳定。
然而，Zymergen的模式却完全不同——他们专门开发了一套机器学习系统——让人工智能技术从浩如烟海的实验数据中进行分析，指出代谢通路的要害，并根据需求找出相应的、能实现特定功能的基因表达，把这个表达写入微生物中，最后生产出所需的微生物，从而避免了繁杂的试错过程。
迷宫——胞的代谢通路汇总
此外，Zymergen雇佣了一支强大的机器人团队，让实验从头到尾每一步实现全部自动化。更妙的是，Zymergen让机器人的输出直接进入机器学习架构的输入，完成无缝对接，极大提高了工作效率。
Zymergen公司的自动化设备
这样一来，Zymergen的工作思路就极为明朗了：从数据中学习，使用机器学习算法辅助设计，建立全自动的实验体系并检测，然后继续使用算法挖掘结果中的有价值数据。整合这个时代最强的三个学科，Zymergen的潜力自然引人关注。
Zymergen工作流程
麻省理工学院的詹姆斯·柯林斯（James Collins）教授接受了DT君的专访。他表示，合成生物学是一个“极其有前途”的学科，作为工具和技术平台可以推动生物学的发展，并促进科学成果的转化。
柯林斯教授认为，Zymergen的优势在于具有强大的工程学团队，可以推动合成生物学对材料科学与工程的贡献。
詹姆斯·柯林斯教授是合成生物学公认的先驱者之一。2000年，受到电子工程学的启发，他在大肠杆菌里构造了一个“触发开关回路”——该回路包含有两个基因，可以在不同状态下切换。不久之后，普林斯顿科学家宣布他们制造了一种可以闪光的荧光细菌。2000年，他与普林斯顿大学的Stanislas Leibler教授在同一期自然杂志上发文，阐述了在大肠杆细菌内构建的震荡系统，就此宣告了合成生物学的诞生。
（来源： DeepTech深科技 2016-11-13）