合成生物学研究所:
麻省理工学院(SBC@MIT)简介
——合成生物学发源地之一
合成生物学的目标是使新型生物系统的构建成为一个有效实用的工程学科。这里的关键是开发基于标准化和充分表征的可互换元件的工程方法。生物系统可以作为实用可程序化材料的基础,为工程底物提供对化学世界的精确控制和响应。合成生物学的将与炼金术对化学工程的发展一样伟大,对材料科学和医学具有巨大的、可能是不可想象的影响。潜在应用范围广泛,包括但不限于:诊断、治疗、传感器、环境修复、能源生产以及许多其他生物分子和化学制造产品。
麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)合成生物学中心的使命是发展和推进这一新兴领域的工程学科。
网址:http://synbio.mit.edu/
遗传编程
我们的目标是为活细胞创建一种编程语言,类似于用于编程计算机和机器人的语言。这需要开发一种高级语言,允许程序员描述所需的功能和计算方法,将该语言转换为线性DNA序列。然后构建序列并将其插入到运行程序的生物体中。由SBC构建的程序的示例包括边缘检测程序,其使细菌识别图像中的明暗界面,形成二维图案的程序,以及使细菌能够计数的程序。
DNA合成与装配
由于DNA的合成和构建的进展,遗传编程是可能的。致力于DNA合成的公司现在能够化学地构建序列,按照指定的每个碱基排列数十万个碱基。该中心正在开发使用微流控技术并行合成DNA和蛋白质的方法。此外,组装遗传元件的方法在创建途径和程序的许多变化方面是有价值的。DNA组装也可以与液体处理机器人连接,以便快速构建和原型制作。
基因组设计
该中心的愿景是能够设计和编程完整的基因组。最近,Venter研究所的工作表明,有可能使用化学DNA合成重建完整的细菌基因组,将其移植到宿主底盘中,并使新基因组“启动”。哈佛教会实验室开发了一种方法称为MAGE,用合成版本迭代地替换细胞的基因组。全基因组设计需要合成生物学的多种技术的融合,包括可靠和特征化的遗传部分,合成调控和遗传回路,计算机辅助设计和DNA合成。
简化遗传学
天然基因组是由进化形成的,这是一种产生复杂和高度冗余的遗传系统的偶然发现过程。表征这样的系统通常具有剥洋葱的感觉,其中存在无穷无尽的复杂调节层。我们正在应用合成生物学的原理从下到上重建细胞功能。自然调节被系统地替换为合成的良好表征的遗传部分。这产生了一个“重构”系统,其遗传学被完全指定。该过程产生了进一步工程化和在生物体之间传递功能的平台。在中心,这被应用于原核基因簇,其编码包括化学合成,光合作用和蛋白质分泌的功能。
模拟合成生物学和系统生物学
细胞生物学中的回路和电子学中的回路是高度相似的,细胞使用分子、离子、蛋白质和DNA而不是电子和晶体管。该项目利用化学方程与亚阈值模拟电子方程之间惊人的相似性,试图创建大规模非线性动力系统,模拟生物细胞在超快时间尺度下的传感、驱动和控制系统,包括它们随机性。该项目在系统生物学中都有应用,旨在对细胞内和分子生物学中的分子网络进行工程理解,通过严格的模拟电路技术,它可以帮助解决设计分析,稳健性和可扩展性方面的几个瓶颈。
遗传回路
为了构建遗传程序,需要在DNA中编码回路。这些所谓的遗传回路使用生物化学相互作用来实现类似于电子回路的功能,例如逻辑门和振荡器。我们正在开发编码新功能的遗传回路以及优化其性能特征的方法。一个重大的挑战是回路与表格程序的可靠连接。正在开发基于生物物理原理的计算方法,以自动调谐电路,使得它们可以连接以形成分层程序。
医学
对细胞进行编程的能力为改善人类健康提供了许多机会。干细胞可以被编程为自组织和分化以形成组织和器官。通过开发“寻找和破坏”计划,病毒和细菌可以用作新型抗生素。类似地,细菌的感测和计算能力可用于将它们转化为药物递送装置,其能够识别患病细胞和身体的特定区域以递送靶向疗法。一个相对未受影响的治疗潜力领域是人类微生物组; 换句话说,与你的身体有共生关系的细菌。工程定植细菌为疫苗和治疗剂的递送以及疾病的治疗提供了新的途径。
材料
从木材到丝绸,我们仍然从天然来源获得许多材料。在收获这些材料时,我们依赖于全球丰富或养殖的能力。酶促生物矿化可以产生具有独特结构和功能特性的纳米颗粒,这些特性难以通过化学途径获得。它们广泛应用于各种技术,包括电子,光子学,MEMS,催化,能源生产和储存。
工业
微生物化学工厂为药品、特种化学品和日用化学品提供可再生途径。构建通向所需化学物质的途径的很大一部分是组装正确的酶,这些酶一起起作用以将代谢物转化为所需的化学物质。帮助发现的过程是DNA序列数据库,现在包含来自超过二十万个生物的超过一亿个基因。生物信息学和DNA合成使得能够识别和访问这些功能。将来,可以指定所需的化学结构,然后计算识别将共同产生目标化学品的那些酶。
农业
生物传感和回路使农业生物能够看到并响应其环境。可以对“智能”植物进行编程,以识别和应对多种威胁,例如病原体,毒素,干燥和养分可用性。根茎中的微生物与植物相关并且可以被设计为实现类似的功能。最后,利用太阳光来固定二氧化碳(如蓝细菌和藻类)的新型工程的设计可以产生低成本的可再生碳中性化学品和燃料的途径以及满足全球营养需求。
Ron Weiss
Director
Email: rweiss@mit.edu
网址:http://groups.csail.mit.edu/synbio/about/
我的研究重点是通过设计和嵌入在单细胞和多细胞环境中执行所需功能的合成基因网络来编程新的细胞行为。我们对多种细胞类型进行基因工程改造,包括细菌、酵母和哺乳动物细胞(包括干细胞)。这一新兴的合成生物学领域有望应用于广泛的应用,如程序化组织工程、癌症治疗、环境生物传感和影响、生物材料制造,以及对自然发生的生物过程的更好理解。
Christopher Voigt
Co-Director
Professor
Email: cavoigt@mit.edu
网址:http://web.mit.edu/voigtlab/
我们正在开发一种基础,通过该基础可以像机器人一样对细胞进行编程,以执行制药和工业应用的复杂,协调的任务。我们正在设计新的传感器,让细菌感受到触觉、视觉和嗅觉。遗传电路 - 类似于它们的电子对应物 - 用于集成来自各种传感器的信号。最后,基因回路的输出用于控制细胞过程。我们还在开发从统计力学和非线性动力学的理论工具,以了解如何结合遗传设备和预测他们的集体行为。
James J. Collins
Professor
Email: jimjc@mit.edu
网址:http://collinslab.mit.edu/
他是新兴合成生物学领域的创始人之一,也是系统生物学的先驱研究人员,他对抗生素的作用和抗生素耐药性的出现做了基本的发现。
Michael T. Laub
Associate Professor
Email: laub@mit.edu
网址:http://www.laublab.mit.edu/
Michael Laub的实验室研究细菌中的信号转导和信息处理。一个主要的重点是理解双组分信号传导途径的设计原则和进化,这是细菌感知和响应其环境的主要手段之一。通过更好地理解这些途径如何感知信号并忠实地将它们转化为生理变化,我们希望为在合成回路中使用它们提供基础。
Timothy Lu(卢冠达)
Associate Professor
Email: timlu@mit.edu
网址:http://www.rle.mit.edu/sbg/
我们致力于合成生物学的基础设计和应用。利用电子工程和计算机科学的启发,我们正在开发新的技术来构建、探测、调制和建模工程生物电路。我们目前的应用领域包括传染病、淀粉样蛋白相关疾病和纳米技术。
Jacquin Niles
Assistant Professor
Email: jcniles@mit.edu
网址:http://web.mit.edu/nileslab/
我实验室的研究强调开发新的分子工具,旨在促进对由于无法轻易有效地操纵基因组而难以研究的人类病原体的研究。该实验室特别关注恶性疟原虫(Plasmodium falciparum),这是导致疟疾的寄生虫剂,其中发展中国家每年约有6亿例病例和1-2百万例死亡病例。虽然这种复杂病原体的知识在后基因组时代正在迅速改善,但其生物学的许多基本方面和作为人类病原体的成功仍然无法获得。
在实验室中克服这一困难的主要努力使用基本的生物和化学概念来设计和构建化学调节的模块,其可用于在转录和转录后水平控制基因表达。系统地,将建立控制这些合成模块行为的生化和生物物理参数,并且获得的见解将用于优化其设计和功能。除了应用这些工具来研究 恶性疟原虫 生物学之外,我们还有兴趣将它们与现有技术相结合,以改善在其他生物系统中可实现的有用程序化细胞行为的范围,同时使用最小的易控制输入。
Feng Zhang(张锋)
Assistant Professor
Email: zhang_f@mit.edu
网址:http://www.fengzhanglab.org/
I.基因组编辑技术的开发和应用
Feng Zhang和他的团队率先开发了用于基因组编辑的微生物适应性免疫系统CRISPR-Cas9和CRISPR-Cpf1。张实验室通过努力改进和扩展Cas9和Cpf1工具箱,提高基因组编辑的特异性和效率,发现和利用新型CRISPR-Cas系统,继续推动这一领域的发展。张实验室正在应用基因组编辑方法来更好地了解人类疾病的各个方面,包括癌症中耐药性的基因回路以及导致自闭症谱系障碍的分子和神经元变化。
II.RNA扰动和传感技术
人类转录组比基因组复杂得多,这在很大程度上是因为它是如此动态,从一个细胞到另一个细胞随时间变化。张实验室专注于开发新技术,以实现系统,可扩展的方法来研究转录组。基于最近发现的含有RNA指导的RNA酶的新型CRISPR-Cas系统,张实验室正在设计一套调节和感知转录本的工具。
III.模拟脑部疾病
通过应用这些和其他方法,张和他的同事希望产生新的人类疾病动物模型,以研究其潜在的生物学机制。该实验室特别感兴趣的是复杂的疾病,如精神疾病和神经疾病,这些疾病是由多种遗传和环境风险因素引起的,难以用传统方法建模。
IV.新型生物技术