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历史上，生物学家一直设想运用工程原理来改造或重新编程生命系统。科学家们曾提出多种构想，如将细胞转变为工业机器、改造病毒以摧毁肿瘤，以及创造人工基因组以复活灭绝物种。尽管这些设想在不久前还被视为科幻，但如今生命工程已成为现实，推动了合成生物学领域的进步。

分子生物学的技术进步是合成生物学革命的核心动力。细胞内含有复杂的调控网络指令，这些网络控制着细胞的生长、结构和功能。合成生物学家通过在实验室中修改这些网络或创建人工网络、精确控制时空基因表达，从而以可编程的方式调控细胞行为。

许多消费品如今源自合成生物学，其中基因改造细胞被用于生产塑料、药物前体和食品成分等产品。2020年，全球合成生物学市场规模估计达到了88.8亿美元，并预计直至2027年，将以每年20.8%的速度增长。随着经济需求和利益的不断增长，学术界和工业界的生物学家、工程师及计算科学家正积极拓展视野，利用合成生物学的力量解决人类健康相关的问题。

合成生物学的过去、现在和未来

20世纪30年代，诺贝尔奖得主、生物学家赫尔曼·穆勒曾预言，改造染色体将成为生物学的未来。然而，合成生物学的起步相对低调，始于弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺在1961年的开创性研究，他们在大肠杆菌中发现了乳糖操纵子，这是一种根据环境变化调节细胞行为的基因调控电路。随后，科学家们在模式生物中陆续发现了许多基因调控元件。与此同时，PCR分子克隆和测序技术的进步，使研究人员能够绘制出基因调控元件与其影响的细胞通路之间的联系。合成生物学家利用这些知识，设计合成元件或编辑现有的基因调控模块。

如今，分子克隆、无细胞系统和CRISPR技术已成为基因网络工程的常用工具。研究人员通过分子克隆设计和组装赋予细胞新功能的合成基因片段和蛋白质。然而，通过克隆技术改造细胞需要耗费大量时间，并且在将这些产品应用于人类健康和环境时，研究人员面临生物安全方面的限制。无细胞系统则提供了一种简单的替代方案，通过溶液中的分子机器实现体外蛋白质合成，虽然成本较高且产量较低，但避免了上述问题。

2013年，细菌防御系统CRISPR-Cas9首次在真核生物基因组工程中得到应用，为合成生物学领域带来了全新的方法。精确的基因组编辑在十年前还是一项挑战，而CRISPR的出现为构建人工合成电路提供了新机遇，省去了繁琐的克隆步骤。借助CRISPR，科学家能够快速编辑基因元件，以控制或修改基因调控程序，实现预期的结果。

合成生物学家综合利用这些方法，开发出理解和控制癌症、神经退行性疾病和遗传综合征等复杂疾病的新策略。此外，合成基因模块还能加速药物发现，使研究人员能够在疾病模型（包括代谢性疾病、自身免疫性疾病和传染性疾病模型）中高效测量药物反应。目前，合成基因电路和表观基因组编辑这两项合成生物学研究正在推动药物发现的进展。

合成基因电路

合成基因电路是工程化的基因网络，通过转录和转录后机制进行调控，使生物体能够对环境中的特定信号或条件作出响应。在这些电路中，相互作用的DNA、RNA和蛋白质充当可编程开关，以精确控制细胞行为。一个稳健的基因电路可以在时空上精确地开启或关闭相关基因，随着控制期望的细胞行为的基因数量增加，基因电路也变得更加复杂。

基于CRISPR技术的合成基因电路举例

转录因子（TFs）是基因电路中最常见和流行的元件，通过结合DNA基序来调控基因表达。自21世纪初以来，研究人员利用重 DNA技术，通过突变或合成的TFs构建了多种基因电路。然而，TFs存在一些不足之处，例如其激活和抑制的动态范围较大，使其在基因电路中作为on/off开关时不够稳健且难以编程。此外，由于TFs序列较长，其合成会导致较高的测序成本。

CRISPR技术的进步为传统转录因子（TF）电路提供了一种替代方案。CRISPR电路通过使用核酸酶（如Cas9）和多个靶向引导 RNA（gRNA）来控制目标基因，能够快速且精确地切割电路中的特定 DNA序列。相比于冗长的工程化TF序列，每个gRNA分子仅约20个核苷酸长，因此设计和生产速度更快、成本更低。

合成基因电路在表型药物发现项目中日益受到关注，研究人员在这些项目中发现了调节生理相关细胞行为或细胞信号通路的候选药物。借助这项技术，研究人员即使在疾病特征尚未完全明确且药物靶点未知的情况下，也能找到有效的治疗药物来解决与疾病相关的表型问题。其中一个应用是利用合成基因电路来积累神经退行性疾病中发现的有毒蛋白质聚集体，从而在细胞实验中识别能够阻断聚集的潜在药物候选物。因此，合成基因电路有望通过提供药物作用下，活细胞内状态的实时、多重读数，来提升基于细胞实验的药物发现效率。

合成生物学助力早期药物发现

深度探索：发现隐藏的基因组

基因组的长度从几千到数十亿个碱基对不等。基因组研究的最大挑战是为所有编码和调控DNA片段赋予功能。虽然人类基因组的大部分区域都经历了广泛的转录，但其中只有不到 2%的转录产物被推定是功能性RNA，能够编码蛋白质。但其他基因组区域大多仍未被充分表征。这些区域通常被称为生物学“暗物质”，因为它们紧密缠绕在核小体内，难以进行基因组和转录组分析。此外，某些疾病会在蛋白质编码区上留下甲基化和乙酰化标记，使其更难以被访问。

CRISPR技术和合成生物学的结合推动了表观基因组编辑的发展，使研究人员能够靶向特定的基因组区域，探索基因组隐藏部分的基因调控网络。借助高度特异性和活性的合成RNA引导核酸酶，研究人员可以通过对DNA、组蛋白和染色质结构修饰的特定位点控制，来实现精准的表观基因组编辑。

优化CRISPR/Cas系统以应用于人类细胞

虽然由于时空特异性和脱靶效应的限制，表观基因组编辑的应用仍然有限，但该技术在药物发现方面展现出巨大的潜力。研究人员将源自患者的诱导多能干细胞和类器官技术与CRISPR介导的表观基因组编辑技术相结合，开发了个性化疾病模型，以研究表观遗传标记和以前无法获得的调控DNA序列在疾病进展中的作用。此外，研究人员正在揭示基因组非编码部分中与疾病相关的启动子、沉默子和增强子的变化，以推动药物发现的进展。这些模型还能让人们更深入地了解健康组织中以前未被表征的基因调控区域是如何发挥功能的，从而揭开人类基因组的神秘面纱。

推进合成生物学的工具

从简单的细菌细胞到复杂的酵母和哺乳动物细胞，技术创新实现了合成基因元件开发的标准化和自动化。

从测序、克隆到在表达系统中测试CRISPR和基因电路，Tecan肯帝提供一系列简化合成生物学工作流程的自动化解决方案。

Fluent®工作站可以自动完成耗时而繁琐的克隆步骤，如构建体开发、细胞转染和克隆挑选，从而在克隆、CRISPR-Cas9和筛选测定中提供高效、可重复的结果。此外，超微量加样仪D300e可通过高通量报告基因检测筛选编辑或沉默的基因。结合Lonza的96孔Shuttle™电转系统和Pickolo™克隆挑选模块，Tecan肯帝的自动化细胞系工作流程可以进行稳健的板复制、单细胞克隆评估和克隆挑选，从而实现下游蛋白质定量和表征步骤。