合成生物学在医学中的应用

合成生物学（synthetic biology）是2000年出现的一门融合生物学、工程学、化学和信息学等学科而成的交叉科学。目前对于合成生物学的定义还存在不同认识，较为普遍接受的观念是：①为了应用目的，重新设计现存的自然生物学系统；②设计和建造全新的生物学元件、回路和系统。从这样的观念出发，合成生物学与有机合成有一定的类似之处，都以制造天然产物或人工产物为主要目的。有机合成的核心是以碳元素为主，涵盖氮、硫等元素在内的有机物合成过程，而合成生物学则是以DNA为主，涵盖RNA、蛋白质等在内的设计与加工过程。正如有机合成在天然产物像青蒿素等领域和人工产物像合成橡胶等领域已广泛改变了人类的生活，合成生物学在天然基因组和人造基因组领域的巨大进展，也具有广阔的应用前景。

通俗而言，合成生物学就是用人工制备的模拟生命体系来最终实现对信号输出精确控制的一种生物学技术。合成生物学以实际需求为导向，应用工程学原理，设计并构造具有新功能的元件、系统甚至生命体。利用各种原理设计并合成一系列核酸（包括DNA和RNA）及类核酸（XNA），将其转入特定细胞，以最终实现指定的生物学功能。合成生物学的重点是合成（合成一系列人工元件、回路和系统等），难点是生物（在生物体内实现合成回路的生物学功能）。根据电子学等原理设计生物“电路图”，然后将一系列元件按需求实现有机组装。

合成生物学目的在于创造新的生物学系统，一方面有利于理解生物系统自身的作用机制，另一方面也可将其应用于多个领域，造福社会。合成生物学方法包括利用化学方法合成特定元件，随后利用生物学方法将其有机整合，然后插入活细胞；也包括建立人造的全新生物系统，通过模拟生物系统为测试提供平台，或生产生物学产品。

合成生物学一词最早由法国生物学家勒迪克（S. Leduc）于1911年提出，但建立合成生物学的理论和技术基础则肇始于1950年代。1953年，沃森和克里克提出DNA双螺旋结构；1958年，克里克进一步提出中心法则，阐明遗传信息流动的基本规律，即从DNA到RNA到蛋白质，从而为合成生物学提供了基本原则。1961年，法国科学家莫诺和雅各布提出乳糖操纵子模型，描述了基因调控的基本规律。1966年，对遗传密码的解析完毕，从而为基因工程的出现及随后合成生物学的诞生奠定了理论基础。

1970年，限制性内切酶被发现，提供了DNA特异性剪切之重要工具，恰好逆转录酶也在这一年被发现，加上已鉴定成功的DNA聚合酶和DNA连接酶等，使体外DNA操作成为可能。1972年，人类首次在体外将两个不同来源的DNA片段实现了连接，产生了第一个重组DNA。1973年，首次将重组DNA转入大肠杆菌，标志着基因工程的诞生。1974年，波兰遗传学家斯吉巴尔斯基（W. Szybalski）在这些进展的基础上全面阐述了合成生物学的概念及内涵。

1970年代，基因合成技术开始出现并逐渐完善，DNA双脱氧法测序诞生。进入1980年代，DNA测序的进一步完善直接促使了基因组计划的提出和完成。1990年代，高通量测序（第二代测序技术）的发明进一步增加了基因组信息量，为合成生物学提供了重要素材。

2000年，研究人员制备了第一批人工设备，包括转换开关、生物振荡器等，标志着合成生物学的正式诞生。随着基因组学、系统生物学和DNA化学合成及相关技术之完善与发展，合成生物学已积累了大量新工具，从而为研究和理解生物系统提供了全新策略，也为将来在工农业上的应用奠定了坚实基础。至今，已先后合成了定时器、计数器、生物时钟、模式检测器和细胞间交流系统等生物回路或系统。目前，已经有能力根据需求合成复杂的代谢回路、完整的代谢通路，甚至还可以合成完整的基因组，并且已从合成简单的原核生物如支原体基因组，到目前合成简单真核生物如酵母染色体。

在合成生物学发展早期设计并构建的合成生物学元件，主要应用于原核生物或简单真核生物如酵母等；而随着许多真核细胞元件被设计与开发成功，哺乳动物的细胞合成生物学也取得了迅猛发展，从而为临床应用带来了全新的理念。

相对于传统生物学，合成生物学显示出巨大的应用潜力，已在生物能源、化工生产、环境保护、生物制药等领域有了初步应用。医学已成为合成生物学最为重要的应用领域之一，并且其快速增长已经促使了医学合成生物学的诞生，可望对多种疾病的研究和治疗提供新选择。

疾病可看作源于先天原因（遗传性疾病或遗传相关疾病等）或后天原因（环境因素如寄生虫或病原体）引发的机体特定部位功能障碍，因此修复这些障碍，最终达到功能重建，就可实现治疗基本策略。传统方法是利用药物来达到这种效果，而合成生物学可在更为宽广的范围内，通过生物功能重建策略来实现疾病的治疗。

医学合成生物学主要是利用人工合理设计的原理，合成大量治疗性基因回路，在载体的协助下最终植入人体，通过纠正机体缺陷的回路功能而最终实现疾病治疗目的。医学合成生物学的目的在于通过影响特定生物学过程而重建生命内稳态。为了在实现疾病治疗的同时尽可能减轻副作用，合成生物学需要达到高效、特异和可控等设计目标。

图1  合成生物学治疗原理

（引自Ruder WC, et al.Science,2011,333(6047):1248）

医学合成生物学的设计需要在五个层面上实现。首先是可用元件的筛选和鉴定，包括DNA元件如启动子、编码序列、核糖体结合位点和终止序列等，RNA元件如反义RNA、微RNA（miRNA）、小干扰RNA（siRNA）、核酸调节元件、核酸开关以及核酶等，蛋白质元件则有RNA聚合酶、转录因子、阻遏蛋白等的基序或功能域。第二，根据实际需求，利用工程学原理，对这些元件进行设计和组装，以形成具有逻辑门关系的治疗基因回路（生物装置）。当输入特定命令，可获得唯一的输出信号。第三，将基因回路通过特定方式转入底盘细胞，而产生合成的生物系统。第四，在模型动物水平生物测试治疗效应。第五，临床检验治疗效果。目前主要集中在前四个层面，在模型方面的成功已引起科学界和临床医生的注意。

图2  医学合成生物学的前四个层面

(引自Ye H, et al. FEBS Lett, 2014, 588(15):2537)

合成生物学已在感染性疾病、代谢性疾病、神经退行性疾病和癌症等多个领域进行了初步尝试，并显示出较为理想的治疗效果。

在感染性疾病治疗中的应用

当前，细菌对多数抗菌素的耐药性是造成多种感染性疾病治疗效果欠佳之重要原因，而合成生物学在这方面显示出良好前景。细菌耐药性的一个机制在于产生外层保护膜，利用合成生物学技术改造噬菌体，可从两方面解决该问题。一方面噬菌体可直接识别并杀死细菌，同时还可利用细菌作为宿主，实现自身繁殖而达到治疗最大化目的；另一方面噬菌体可产生特定酶来破坏细菌保护膜，从而使细菌被抗生素或机体免疫系统杀灭。实验测试表明这种人造噬菌体杀灭99.997%拥有保护膜的细菌。

利用合成生物学方法改造细菌，在医疗方面也有重要应用。如经过改造的大肠杆菌可产生一种特定化学信号，有效干扰霍乱弧菌之间的信息交流，从而弱化此菌株感染。小鼠实验显示，该工程菌对霍乱治疗具有重要作用。此外，还可利用改造细菌来合成大量药物，如青蒿素和紫杉醇等。

在代谢性疾病方面的应用

代谢性疾病是指因代谢失衡而使特定代谢物含量异常的疾病，如糖尿病、肥胖和痛风等。

糖尿病是一种由血糖升高所导致的疾病，故控制血糖含量成为治疗的重要目标之一，可利用胰岛素或胰高血糖素样肽-1(GLP-1)等实现对血糖的控制，而输入的调控信号可以是光或者电磁波。光是自然界中最普遍、最易获得物质之一，不仅成本低廉容易获取，还能在时间和空间上加以精确调控；而感受光信号的光敏蛋白，响应速度快，可达毫秒级，适合用于动态调控。利用构建人工生物器件的技术，成功开发出一种简单、稳定、容易使用的光调控基因表达系统，由一个光调控转录因子和含有GLP-1的转录单元构成。在蓝光存在的情况下，转录因子能迅速被激活，从而启动GLP-1的转录与表达。把该系统植入Ⅱ型糖尿病小鼠体内，蓝光可有效控制GLP-1的表达与分泌，从而实现对血糖的精确调控。通过构建受电磁波控制的钙离子信号和钙离子调控的胰岛素合成，整合在一起的基因表达回路被植入糖尿病小鼠体内，而将小鼠暴露于电磁波之下，可实现血糖的控制。

随着生活水平提高，肥胖也成为威胁人类健康之重要因素。在哺乳动物小鼠肝细胞中引入一个乙醛酸分支途径的基因回路，可显著增加脂肪酸氧化，因而即使给小鼠喂食高脂肪食物，小鼠也不会出现肥胖症状，并且血脂和胆固醇水平也未见明显升高。此外，肥胖患者血液中的血脂和胆汁酸含量较高，可以构建感知这些化合物的基因回路，受其调控的功能分子为激素普兰林肽（pramlintide）等。

尿酸是嘌呤在人体代谢中的产物，它在水里溶解度较低，因此血液中尿酸含量较高可导致高尿酸血症，最常见表现是尿酸沉积在关节等软组织内，导致痛风的发生。某些个体先天性地缺乏尿酸氧化酶，无法使尿酸进一步生成更易溶于水的尿囊素。传统治疗高尿酸血症的基本原则在于外源补充相关因子或酶以纠正异常状况，重新建立代谢内稳态。利用合成生物学方法，可将构建含尿酸氧化酶的基因回路首先转入细胞，再将基因工程细胞植入急性高尿酸血症小鼠体内，过量的尿酸激活尿酸氧化酶基因表达，从而消除尿酸而达到内稳态。

在神经退行性疾病治疗中的应用

神经退行性疾病的发生率也在与日俱增，但对其中大部分缺乏有效的治疗手段，寻找新的策略具有重要意义。这类疾病大多缘于特定基因突变造成蛋白质分子聚集，影响神经元功能而发生，因此纠正 “错误折叠”蛋白质成为疾病治疗之策略。应用基因组编辑工具像锌指核酸酶（ZFN）、类转录激活因子效应物核酸酶（TELEN）以及成簇规律间隔短回文重复序列及其关联蛋白9（CRISPR/Cas9）等，通过纠正突变基因的方法，可从根本上实现对这类疾病的治疗。上述方法均存在不同程度的脱靶效应，须进一步利用合成生物学的可控特点，精确控制作用位点，以减少治疗的副作用。合成生物学还通过设计特定启动子和基因开关来获得治疗回路，实现对特定靶蛋白质分子的精确控制。类固醇激素米非司酮可用作一个基因开关，可精确调控神经胶质源神经营养因子（GDNF）之基因表达，对帕金森病大鼠模型产生神经保护作用。此外，光控基因表达也开始被尝试用于特定神经退行性疾病的治疗并显示出良好的疗效，但是尚需进一步的研究。

在癌症治疗中的应用

近几十年来，癌症研究未取得真正意义的重大突破，寻找新的诊治思路具重要意义。

（1）肿瘤识别  对于癌症治疗最大的挑战在于选择性杀伤，既在不伤害正常组织的前提下消除体内癌细胞。利用癌细胞和正常细胞本身的表达差异，开发成功癌细胞特异性分类器。如根据miRNA设计成功的合成回路，可有效区分宫颈癌细胞与正常细胞。在有效区分基础上，可进一步利用合成致死回路对癌细胞直接选择性杀伤，也可辅助放化疗以增加这些治疗的专一性和敏感性。

（2）细菌或病毒的选择性杀伤  利用基因工程细菌缺氧环境表达的特性，可让其在肿瘤缺氧环境中制造某种细胞毒性蛋白而启动癌细胞死亡程序。但是这种策略最大问题在于癌组织本身血液供应存在障碍，因此将细菌运送至癌组织成为最大障碍。

（3）合成免疫学  利用合成生物学的原理和方法，通过操纵生物元件，以定量调节和操纵机体免疫应答，从而实现疾病治疗，这是目前已有临床应用探索较少的合成生物学领域之一，尤其在肿瘤治疗方面显示出诱人的前景。免疫学识别本身具有特异性的特点，早期癌症治疗的“魔弹”策略也主要基于免疫学原理，所以，把合成生物学和经典免疫学相结合，有可能对癌症治疗发挥巨大作用。过继免疫治疗（adoptive immunotherapy）是一个十分重要的探索方向，它主要涉及将患者T细胞分离，在体外进行适当处理或操作后重新输入患者体内，以求实现对癌症的治疗。T细胞的体外操作是应用合成生物学的重要环节。经过人工回路改造的T细胞表面，表达一种嵌合抗原受体(CAR)，可识别癌细胞表面特异性抗原并启动细胞杀伤效应。此外，还可进一步引入逻辑门以改造CAR。一种是逻辑与门——当癌细胞表面同时表达两种抗原，才启动免疫应答效应；另一种为逻辑非门——当癌细胞表面存在一种抗原但不表达另一种抗原，才启动免疫杀伤作用。这种改造可进一步增加识别特异性，减少对正常细胞的“脱靶”杀伤效应。

医学合成生物学的应用需三方面的基础；对疾病发生机制的理解相对清晰（目的清晰）；可用于试验的人工合成元件相对丰富（有效设计）；对其他微扰因素的认识趋于完善（定量控制）。目前三方面都存在一些瓶颈问题，从而限制了其早日进入临床。首先，大部分疾病的发生机制尚不清晰，因此对一些相对清楚的单基因病的治疗实现突破可能最大。其次，哺乳动物细胞中可用的人工元件还比较少，因此相对于细菌和低等真核生物的合成生物学研究广泛开展，关于高等生物的合成生物学，研究程度普遍偏低，进展也相对缓慢。最后，复杂的哺乳动物内环境无疑给合成生物学的医学应用带来巨大挑战。相对于单细胞生物以及单细胞生物群体（较均一群体），由多细胞类型构成的体系要复杂得多，导致过多的不可控因素存在，无法有效而精确控制人工元件在人体内的生物学行为。相对于原核细胞和简单真核生物，哺乳动物细胞的信息传递也较为复杂，并非单纯依赖DNA一维来编码信息，更多的加工和修饰则使合成系统的可控性大打折扣。此外，合成系统本身的相对不稳定性和不同生物系统之间的不兼容性，也显著阻碍了合成生物学的有效应用。

越来越多的证据显示，合成生物学将迎来下一个大的技术浪潮，就像今天信息革命带来的技术创新和经济进步。尽管医学合成生物学仍处于起步阶段，成果尚主要集中于模式动物，但在基础理论和实验室研究结果方面已显示出一些重大应用前景，各国政府和企业也对此集中了关注。

我国同样高度重视合成生物学发展，但与微生物合成生物学相比，医学合成生物学领域相对薄弱。2014年国家科技部批准了第一个医学合成生物学973计划“合成生物器件干预膀胱癌的基础研究”。该项目主要基于膀胱癌的基因组学、分子生物学、合成生物学、微生物学和免疫学等研究，全面筛选膀胱癌分子靶点、探索膀胱癌人工改造细菌治疗和合成免疫学治疗之理论基础，以寻找膀胱癌高效、靶向与可控的治疗方案。该项目的实施会对膀胱癌乃至所有癌症治疗的研究起到推动作用，也会对促进我国医学合成生物学发展起关键作用。

健康已成为世界各国都面临的重要挑战之一，我国老龄化社会的过早来临则使健康问题的挑战更为迫切。积极探索医疗领域的关键问题，以推动治疗方面的变革，具有根本性的意义。医学合成生物学拥有深厚的研究潜力并积极寻求应用途径，无疑提供了一个重要选项。

参考文献

[1]     Cameron D E, Bashor C J, Collins J J. A brief history of synthetic biology. Nat Rev Microbiol, 2014, 12(5): 381.

[2]     Ruder W C, Lu T, Collins J J. Synthetic biology moving into the clinic. Science, 2011, 333(6047): 1248.

[3]     Folcher M, Fussenegger M. Synthetic biology advancing clinical applications. Curr Opin Chem Biol, 2012, 16(3-4): 345.

[4]     Church G M, Elowitz M B, Smolke C D, et al. Realizing the potential of synthetic biology. Nat Rev Mol Cell Biol, 2014, 15(4): 289.

[5]     Ye H, Aubel D, Fussenegger M. Synthetic mammalian gene circuits for biomedical applications. Curr Opin Chem Biol, 2013, 17(6): 910.

[6]     Rössger K, Charpin-El-Hamri G, et al. Reward-based hypertension control by a synthetic brain-dopamine interface. Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110(45): 18150.

[7]     Ye H, Charpin-El-Hamri G, Zwicky K, et al. Pharmaceutically controlled designer circuit for the treatment of the metabolic syndrome. Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110(1): 141.

[8]     Ye H, Daoud-El-Baba M, Peng R W, Fussenegger M. A synthetic optogenetic transcription device enhances blood-glucose homeostasis in mice. Science, 2011, 332(6037): 1565.

[9]     Ye H, Fussenegger M. Synthetic therapeutic gene circuits in mammalian cells. FEBS Lett, 2014, 588(15): 2537.

[10]  Liu Y, Zeng Y, Liu L, et al. Synthesizing AND gate genetic circuits based on CRISPR-Cas9 for identification of bladder cancer cells. Nat Commun, 2014, 5: 5393.

注：该文已发表于《科学》杂志（上海）2015年第一期