2019年7月 第六期 合成生物学进展汇总

小编：这一期有三大合成生物学领域出现重大成果，1. 计算机（人工智能）与合成生物学的结合，两篇Nature报导了从头合成设计蛋白质开关；2. 合成生物学与材料结合； 3. 医疗与合成生物学。小编认为，这三个领域仍然会不断涌现新的重大成果。

综述与观点

1. ACS Synth Biol. 2019 Jul 19;8(7):1474-1477. doi: 10.1021/acssynbio.8b00540.

合成生物学、机器学习和自动化交叉的机遇（Opportunities at the Intersection of Synthetic Biology, Machine Learning, and Automation）

Carbonell P(1), Radivojevic T(2)(3), García Martín H(2)(4)(3)(5).

我们很难预测生物系统的行为，这严重阻碍了生物工程和生物医学应用的进展。我们不能预测基因型变化对表型的影响，也不能从小规模的实验中推断出大规模的行为。机器学习技术最近达到了一个新的成熟水平，并且能够提供所需的预测能力，而不需要详细的机理理解。然而，它们需要训练大量的数据。所需要的数据的数量和质量只能通过合成生物学和自动化的结合来产生，从而产生具有高重现性的生物系统的多样性。对合成生物学、机器学习和自动化交叉领域的持续投资将推动预测生物学向前发展，并产生改进的机器学习算法。

小编一句话总结：相信合成生物学、机器学习和自动化的交叉学科发展，将大大促进新应用发展。

2. Curr Opin Cell Biol. 2019 Jul 16;61:9-15. doi: 10.1016/j.ceb.2019.06.002.

体内重编程策略（Strategies for in vivo reprogramming）

Ofenbauer A(1), Tursun B(2).

重编程有潜力为再生医学应用提供特定的细胞类型，目的是替换因退化性疾病和损伤而丢失或受损的组织。本文综述了近年来生物体内重组转化细胞特性的最新策略和进展，包括转录因子(TFs)和CRISPR/dCas9合成TFs诱导的重组，以及细胞融合和小分子诱导的重组。我们也提供了一个简短的重编程障碍的概述，衰老对重新编程效率的影响，以及在体内传递重新编程因子的策略。由于篇幅有限，这里忽略了自然发生的重编程现象，如在秀丽隐杆线虫中发现的发育程序转分化。

小编一句话总结：人的几乎每个细胞都拥有全套的基因组，只是不同类型的细胞的基因表达具有差异；细胞重编程可以将正常的体细胞诱导成为特定的替代坏细胞的新成员，这篇文章总结了最近体内重编程策略。

3. Genes (Basel). 2019 Jul 11;10(7). pii: E523. doi: 10.3390/genes10070523.

合成DNA和RNA的编程（Synthetic DNA and RNA Programming）

O'Donoghue P(1)(2), Heinemann IU(3).

合成生物学是一门新兴的学科，它利用了分子生物学、遗传学、蛋白质和RNA工程以及组学技术的最新进展。这些技术一起改变了我们揭示细胞生物学和疾病分子基础的能力。这期“合成RNA和DNA编程”特刊以原创的研究文章和综述为特色，突出了基础分子生物学的新领域，以及新合成生物学驱动方法的应用和发展所揭示的疾病的分子机制。

小编一句话总结：一篇小综述（特刊前言），围绕1.遗传密码的拓展，2.遗传密码的进化，3.新遗传系统和工具，4.RNA编程，这4个主题展开。

4. Trends Biotechnol. 2019 Jul 15. pii: S0167-7799(19)30154-4. doi: 10.1016/j.tibtech.2019.06.005.

为专业安全人员提供合成生物学的实践介绍（Hands-On Introduction to Synthetic Biology for Security Professionals）

Adames NR(1), Gallegos JE(1), Hunt SY(2), So WK(2), Peccoud J(3).

生命科学创新的快速步伐和越来越多从事生物研究的非传统行为体，使得制定适当的政策来保护敏感的基础设施变得具有挑战性。为了应对这一挑战，我们为安全专业人员制定了一个为期五天的意识项目，包括实验室工作、实地考察和讲座。

小编一句话总结：由于内容敏感，这些讲座不会公开分享；但有要点：1.CRISPR介导的基因编辑和植物合成生物学；2.DNA合成；3.网络物理安全在生物学中的讨论;4.合成生物学时代的生物安全;5.生命科学中的安全文化。

5. Nat Biotechnol. 2019 Jul 8. doi: 10.1038/s41587-019-0171-6. 

克服工业发酵中的遗传异质性（Overcoming genetic heterogeneity in industrial fermentations）

Rugbjerg P(1), Sommer MOA(2).

由于代谢负担和产品毒性，工程合成大量的治疗药物、酶或商品化学品可以选择用于非生产细胞的亚群。深度DNA测序可用于检测生产者群体中不良的遗传异质性，并检测相关的遗传错误模式。遗传异质性的研究热点可以查明导致负载问题和产品毒性的机制。理解基因异质性将为代谢工程和合成生物学策略提供信息，以最大限度地减少扩大发酵过程中出现的非生产者突变体，并最大限度地提高产品质量和产量。

小编一句话总结：扩大培养到大发酵罐和实验室的试管培养的差异大，其中一个就是群体中遗传异质性的出现。

6. Microb Biotechnol. 2019 Jul 24. doi: 10.1111/1751-7915.13462.

合成生物学在解决向新低碳能源体系过渡方面是否有作用?（Is there a role for synthetic biology in addressing the transition to a new low-carbon energy system? ）

Shears J(1).

Author information:  (1)Shell Research Limited, Shell Centre, London, UK.

世界需要采取紧急行动应对气候变化。《巴黎协定》确立了将全球气温升幅控制在2摄氏度以内的目标。到2070年，地球上的人口将增加到100多亿，人民的生活水平也将提高。总的来说，这些趋势意味着世界将使用越来越多的能源。即使能源效率有了巨大的提高，到2070年，世界的能源使用量很可能比现在多50%。世界现有的能源系统不能在提供更多能源的同时减少二氧化碳等温室气体的排放。为了实现这一目标，这个体系必须改变。今天的能源系统很大程度上依赖于使用时向大气中排放温室气体的燃料。在未来，这个系统必须由产品构成，平均而言，每使用一单位能源所释放的温室气体水平要低得多。新能源系统的产品将包括可再生电力、生物燃料和氢，以及石油和天然气。

合成生物学在应对能源挑战方面具有巨大的潜力。壳牌与埃克塞特大学微生物生物燃料小组合作进行的研究使用工程大肠杆菌生产生物柴油。生物柴油是一种复杂的碳氢化合物混合物，具有一系列的链长和分支。研究表明，利用可再生原料生产类似柴油的碳氢化合物混合物是可行的。

小编一句话总结：生物能源的火热程度依赖于石油价格，生物新技术的突破和石油能源的枯竭相信会带来重新关注。

7. Metab Eng. 2019 Jul 11. pii: S1096-7176(19)30108-9. doi: 10.1016/j.ymben.2019.07.004.

多羟基烷酸酯(PHA)的工程生物合成，以降低生物多样性和成本（Engineering biosynthesis of polyhydroxyalkanoates (PHA) for diversity and cost reduction）

Zheng Y(1), Chen JC(1), Ma YM(1), Chen GQ(2).

多羟基烷酸酯PHA是一类以短期使用取代不可降解塑料为目标的天然生物聚合物，已发展成为包括短链(scl)和中链(mcl)单体及其共聚物等多种结构。但自20世纪80年代以来，PHA市场发展缓慢、品种有限、生产成本高。在此，我们回顾了包括代谢工程、合成生物学和形态学工程在内的关于扩大PHA多样性、降低生产成本和提高PHA产量的最新策略或方法。以嗜极盐单胞菌为例，说明了开发下一代工业生物技术(NGIB)提高PHA生产竞争力的可行性和面临的挑战。

小编一句话总结：据我所知，bluepha公司应该是中国最先进的PHA制造企业。

最新进展

计算机设计与生物学

8. Nature. 2019 Jul;571(7766):585-587. doi: 10.1038/d41586-019-02251-x.

The computational protein designers.

Perkel JM.

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02251-x

小编一句话总结：这是下面2篇文章的评述，有空可以给大家详细解读下，确实是重大突破。

9. Nature. 2019 Jul 24. doi: 10.1038/s41586-019-1432-8. [Epub ahead of print]

生物活性蛋白开关的从头设计（De novo design of bioactive protein switches）

Langan RA(1)(2)(3), Boyken SE(1)(2), Ng AH(4)(5)(6)(7), Samson JA(5), Dods G(4),  Westbrook AM(4), Nguyen TH(4), Lajoie MJ(1)(2), Chen Z(1)(2)(3), Berger S(1)(2),  Mulligan VK(1)(2), Dueber JE(5), Novak WRP(8), El-Samad H(4)(9), Baker D(10)(11)(12).

蛋白质功能的变构调节在生物学中广泛存在，但对新蛋白的设计具有挑战性，因为它要求具有可比较的自由能的多个状态设计。在这里，我们通过调节相互竞争的分子间和分子内相互作用，探索设计可切换的从头开始的蛋白质系统的可能性。我们设计了一个静态的五螺旋结构的“笼”，它有一个单一的界面，既可以在分子内与末端的“锁存器”螺旋相互作用，也可以在分子间与肽“键”相互作用。在锁存器上编码的是用于绑定、降解或核导出的功能基序，只有当键将锁存器从笼中置换时，这些功能才会发挥作用。我们描述了正交笼键系统的功能，在体外，酵母和哺乳动物细胞，高达40倍的功能激活的关键。设计由诱导构象变化控制的可切换蛋白功能的能力是蛋白质设计的一个里程碑，为合成生物学和细胞工程开辟了新的途径。

小编一句话总结：蛋白质设计的里程碑！

10. Nature. 2019 Jul 24. doi: 10.1038/s41586-019-1425-7.

模块化和可调的生物反馈控制使用从头开始的蛋白质开关（Modular and tunable biological feedback control using a de novo protein switch）

Ng AH(1)(2)(3)(4), Nguyen TH(1), Gómez-Schiavon M(1), Dods G(1), Langan RA(5)(6)(7), Boyken SE(5)(6), Samson JA(2), Waldburger LM(2), Dueber JE(2), Baker D(5)(6)(8), El-Samad H(9)(10)(11).

从头设计的蛋白作为合成线路的构建模块有很大的潜力，可以补充天然蛋白工程变体使用。degronLOCKR就是这样一种设计蛋白，它是基于“锁定正交笼键蛋白”(LOCKR)技术，是一种开关，通过基因编码的小肽在体内诱导降解感兴趣的蛋白。在这里，我们利用degronLOCKR即插即用的特性来实现对内源性信号通路和合成基因回路的反馈控制。我们首先通过将degronLOCKR与内源性信号分子融合，在酵母交配通路中产生合成的负反馈和正反馈，说明了这种策略可以很容易地重新连接复杂的内源性通路。接下来，我们评估了degronLOCKR对合成基因回路的反馈控制，以量化反馈控制回路的反馈能力和操作范围。degronLOCKR蛋白的设计特性使得简单而合理的修饰能够调节合成回路和交配途径的反馈行为。对活细胞进行反馈控制的能力是实现合成生物学全部潜力的一个重要里程碑。更广泛地说，这项工作展示了蛋白质从头设计的巨大和未被开发的潜力，这些蛋白质可以生成工具，在细胞中实现复杂的合成功能，用于生物技术和治疗应用。

小编一句话总结：蛋白质设计的里程碑！

11. ACS Synth Biol. 2019 Jul 12. doi: 10.1021/acssynbio.9b00142.  

自动设计各种独立的核糖体开关（Automated design of diverse stand-alone riboswitches）

Wu MJ, Andreasson JO, Kladwang W, Greenleaf WJ, Das R.

结合配体与构象变化的核糖体开关为RNA合成生物学和医学生物技术提供了传感器和控制元件。然而，这些核糖开关的设计需要专家的直觉或专门用于转录或翻译输出的软件;在核糖体开关输出不能被其他分子机制放大的情况下，设计尤其具有挑战性。我们提出了一种名为RiboLogic的全自动设计方法来实现这种“独立”的核糖体开关，并使用RNA- map(大规模并行阵列上的RNA)技术对2,875个分子进行高通量实验，对其进行测试。这些分子在与黄酮类单核苷、色氨酸、茶碱和microRNA miR-208a结合后，一致地调节它们与MS2噬菌体外壳蛋白的亲和力，达到高达20的活化比，其性能显著优于对照设计。通过包含大量独立开关和高度定量的数据，得到的ribologic-实验数据集为进一步改进riboswitch模型和设计方法提供了丰富的资源。

小编一句话总结：自动化设计测试核糖体开关。

无细胞系统

12. ACS Synth Biol. 2019 Jul 23. doi: 10.1021/acssynbio.9b00160. [Epub ahead of print]

优化无细胞生物传感器，监测酶的生产（Optimizing Cell-Free Biosensors to Monitor Enzymatic Production）

Pandi A, Grigoras I, Borkowski O, Faulon JL.

无细胞系统是代谢工程和合成生物学中快速、高通量生物部件原型化的理想平台。无细胞系统应用的一个主要限制是转录抑制因子的低折叠抑制。因此，主要依赖于抑制因子的原核生物传感器的发展受到了限制。在本研究中，我们展示了如何通过应用转录因子(TF)掺杂提取物、使用TF质粒预孵育策略、或重新启动无细胞反应或两步无细胞反应来改善这些无细胞系统中的生物传感器。我们使用优化的生物传感器来检测一种稀有糖D-psicose的酶促生产。这项工作提供了一种方法来优化基于抑制因子的无细胞系统，以进一步提高无细胞系统用于生物生产的潜力。

小编一句话总结：本来觉得无细胞体系特简单，其实还有不少有待突破的地方，但相信是重要的发展方向之一。

合成生物学与材料

13. ACS Synth Biol. 2019 Jul 19;8(7):1564-1567. doi: 10.1021/acssynbio.9b00192.

3D打印用于制造基于生物膜的功能生物材料（3D Printing for the Fabrication of Biofilm-Based Functional Living Materials）

Balasubramanian S(1), Aubin-Tam ME(1), Meyer AS(2).

细菌生物膜是缠绕在由蛋白质、脂类、多糖和核酸组成的自生细胞外聚合物基质中的细胞的三维网络。生物膜几乎可以在任何可接近的表面形成，并导致从传染病到有毒化学物质降解的各种影响。生物膜具有较高的机械刚度，对抗生素、污染物、洗涤剂、高温、pH值变化等不利条件具有固有的耐受性。这些特性使生物膜具有弹性，有利于在动态环境中应用，如生物浸出、生物修复、材料生产和废水净化。我们最近描述了一种简单而经济的细菌3D打印方法，并将该技术扩展到转基因大肠杆菌生物膜的3D打印。我们的3D打印平台利用简单的藻酸盐化学技术将细菌-藻酸盐生物油墨混合物打印到含钙琼脂表面，从而形成具有不同几何形状的细菌封装水凝胶。这些水凝胶中的细菌保持完整，在空间上的模式，并存活几天。打印工程细菌以产生可诱导的生物膜，可以形成多层的三维结构，可以承受苛刻的化学处理。合成生物学和材料科学方法为这些3d打印生物膜提供了广泛的有用功能。在这篇文章中，我们描述了功能3d打印生物膜在构建生物膜衍生材料的大规模和环境稳定的方式广泛的应用前景。

小编一句话总结：3D打印用于制造基于生物膜的功能生物材料，未来相信可以打印器官。

14. ACS Synth Biol. 2019 Jul 24. doi: 10.1021/acssynbio.9b00187. [Epub ahead of print]

开发一种用于酶快速固定化和酶功能优化的生物催化蛋白支架系统（Developing a Protein Scaffolding System for Rapid Enzyme Immobilization and Optimization of Enzyme Functions for Biocatalysis）

Zhang G(1), Johnston T(1), Quin MB(1), Schmidt-Dannert C(1).

大多数生物催化过程都需要酶的固定化，但用于酶固定化的化学方法是有限的，可能具有挑战性。基因编码的蛋白质生物材料可以为生物催化剂提供易于使用的固定平台。我们最近开发了一种自组装蛋白支架，通过利用带有间谍捕手结构域的肠道沙门氏菌的细菌微室蛋白EutM，以共价固定带有间谍标记的酶。我们还鉴定了一系列EutM同系物作为具有不同结构和静电表面特性的鲁棒蛋白质纳米结构。在这项工作中，我们创建了一个模块化的固定平台，具有可调的表面属性，通过开发一个工具箱的自组装，强大的EutM-SpyCatcher支架。以乙醇脱氢酶为模型生物催化剂，研究表明该支架能提高酶的活性和稳定性。这项工作提供了一个模块化的，易于使用的固定系统，可以定制的最佳功能的生物催化剂的兴趣。

小编一句话总结：酶固定化的新方法。

基因线路与医学

15. Nat Med. 2019 Jul;25(7):1057-1063. doi: 10.1038/s41591-019-0498-z. Epub 2019 Jul  3.

可编程细菌诱导持久的肿瘤消退和全身抗肿瘤免疫（Programmable bacteria induce durable tumor regression and systemic antitumor immunity）

Chowdhury S(1)(2), Castro S(1), Coker C(1), Hinchliffe TE(1), Arpaia N(3)(4), Danino T(5)(6)(7).

合成生物学通过活细胞的基因编程正在推动医学的一个新时代。这种革命性的方法允许创建能够智能感知和响应不同环境的工程系统，最终增加特异性和有效性，超出了基于分子的治疗的能力。在体内，一个特别关注的领域是将细菌作为治疗传递系统来选择性释放治疗有效载荷。在这里，我们设计了一株非致病性大肠杆菌菌株，在肿瘤微环境中特异性裂解并释放编码的纳米体拮抗剂CD47 (CD47nb)，这是一种抗吞噬受体，通常在几种人类癌症类型中过表达。我们发现，在小鼠的同基因肿瘤模型中，肿瘤定植菌传递CD47nb可以增加肿瘤浸润T细胞的活化，刺激肿瘤快速消退，防止转移，并导致长期存活。此外，我们还报道了局部注射cd47nb表达菌可刺激全身肿瘤抗原特异性免疫反应，从而降低未治疗肿瘤的生长，这为工程细菌免疫治疗引起的局部效应提供了概念证明。因此，工程菌可用于安全、局部的免疫治疗有效载荷传递，导致全身抗肿瘤免疫。

小编一句话总结：合成生物学改造的微生物用于医疗又往真正临床应用又靠近了一步！

16. Nucleic Acids Res. 2019 Jul 3. pii: gkz556. doi: 10.1093/nar/gkz556.

人类细胞中的降噪光发生负反馈基因线路（Noise-reducing optogenetic negative-feedback gene circuits in human cells）

Guinn MT(1)(2)(3), Balázsi G(1)(2).

基因自抑制广泛存在于自然界中，也应用于合成生物学中，部分是为了降低细胞中的基因表达噪声。近年来，光发生系统已被开发用于控制哺乳动物细胞的基因表达水平，但大多数利用激活蛋白，忽略负反馈，除了在硅控制。在此，我们设计了哺乳动物细胞的光发生基因线路，以实现噪音的减少，以精确的基因表达控制的基因，在体外负反馈。我们建立了一个工具集，这些降噪光诱导调谐器(升)基因电路使用TetR阻遏物融合了tet抑制肽(TIP)或降解标签通过光敏感的LOV2蛋白域。这些升提供了一个范围内的近4倍的基因表达控制和多达5倍的噪音减少从现有的光发生系统。此外，我们使用升基因线路结构来控制癌基因KRAS(G12V)的基因表达，并通过磷酸化erk水平和细胞增殖来研究其下游效应。总之，这些新的升光发生平台应该能够精确的时空扰动来研究发育生物学、肿瘤学和其他生物医学领域的多细胞表型。

小编一句话总结：光控系统、基因线路在医学领域的基础改进。

17. ACS Synth Biol. 2019 Jul 16. doi: 10.1021/acssynbio.8b00512. [Epub ahead of print]

诱导基因开关与记忆在人类T细胞的细胞免疫治疗（Inducible Gene Switches with Memory in Human T Cells for Cellular Immunotherapy）

Chakravarti D(1)(2), Caraballo LD(1)(2), Weinberg BH(1)(2), Wong WW(1)(2).

以细胞为基础的治疗方法，利用工程T细胞(包括那些经过修饰以表达嵌合抗原受体(car)的细胞)来靶向癌细胞，在临床试验中显示出了良好的反应。然而，工程T细胞的反应必须被调节，以防止严重的副作用，如细胞因子风暴和脱靶反应。在这里，我们提出了一种基于重组的基因电路，它将在使用fda批准的药物的过继性T细胞治疗中实现可诱导的、一次性的状态切换，创建一个可用于控制基因表达时间和强度的通用平台。这些回路具有记忆功能，即使在药物诱导剂被移除时，诱导的T细胞也能保持任何变化。这种记忆特性避免了药物诱导剂的长期暴露，从而降低了与药物诱导剂相关的复杂性和潜在副作用。我们利用这些电路来控制抗her2 -CAR的表达，证明了这些电路调节CAR表达和T细胞活性的能力。我们设想这个平台可以扩展到调节其他涉及T细胞行为的基因，应用于各种过继T细胞治疗。

小编一句话总结：T细胞的改造用于医疗。