加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的生物工程師開(kāi)發(fā)出一種方法，可以顯著延長(zhǎng)基因回路的壽命，用于指導(dǎo)微生物做生產(chǎn)和輸送藥物，分解化學(xué)品和作為環(huán)境傳感器等事情。

由于各種突變，合成生物學(xué)家插入到微生物中的大多數(shù)回路在一段時(shí)間后(通常是幾天到幾周)完全從微生物中斷或消失。但在2019年9月6日出版的“ 科學(xué) ”雜志上，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員證明，他們可以讓遺傳電路保持更長(zhǎng)時(shí)間。

這種方法的關(guān)鍵是研究人員能夠完全替換一個(gè)攜帶遺傳電路的子群體，以便重置突變時(shí)鐘，同時(shí)保持電路運(yùn)行。

“我們已經(jīng)證明，我們可以穩(wěn)定基因回路，而不會(huì)進(jìn)入抗擊進(jìn)化的行業(yè)，”加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程和生物學(xué)教授杰夫•赫斯特說(shuō)。“一旦我們停止在單個(gè)細(xì)胞水平上對(duì)抗進(jìn)化，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，只要我們想要，我們就能保持代謝昂貴的遺傳回路。”

在加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員在使用的電路學(xué)研究是一個(gè)這支球隊(duì)，和其他人，都在積極使用，以開(kāi)發(fā)新的癌癥療法。

“作為合成生物學(xué)家，我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)基因回路，使我們能夠利用微生物進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。然而，今天的現(xiàn)實(shí)是我們插入微生物的基因回路容易因進(jìn)化而失效。是否是幾天，幾周或幾個(gè)月，即使采用最佳的電路穩(wěn)定方法，也只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。一旦你在基因電路中失去了功能，除了重新開(kāi)始之外沒(méi)有什么可做的，“加州大學(xué)的Michael Michael說(shuō)。迭戈生物工程博士 學(xué)生和科學(xué)論文的第一作者。“我們的工作表明還有另一條前進(jìn)的道路，不僅僅是在理論上，而是在實(shí)踐中。我們已經(jīng)證明，有可能阻止電路破壞突變。我們找到了一種方法來(lái)繼續(xù)對(duì)突變時(shí)鐘進(jìn)行重置。”

如果團(tuán)隊(duì)的方法可以針對(duì)生命系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，那么其影響可能對(duì)許多領(lǐng)域都很重要，包括癌癥治療，生物修復(fù)以及有用蛋白質(zhì)和化學(xué)成分的生物生產(chǎn)。

為了實(shí)際構(gòu)建突變時(shí)鐘的“重置按鈕”，研究人員專注于微生物菌株之間的動(dòng)態(tài)，而不是試圖在單個(gè)細(xì)胞水平上保持選擇性壓力。研究人員展示了他們的社區(qū)級(jí)工程系統(tǒng)，使用了三個(gè)大腸桿菌亞群和一個(gè)“巖石剪刀”動(dòng)力。這意味著“巖石”菌株可以殺死“剪刀”菌株，但會(huì)被“紙”菌株殺死。

大多數(shù)已發(fā)表的著作傾向于關(guān)注在單細(xì)胞水平上起作用的穩(wěn)定策略。雖然這些方法中的一些在給定的治療背景下可能是足夠的，但是進(jìn)化決定了單細(xì)胞方法自然會(huì)在某些時(shí)候停止工作。然而，由于巖石剪刀(RPS)穩(wěn)定在社區(qū)層面起作用，它還可以與任何在單個(gè)細(xì)胞水平上起作用的系統(tǒng)結(jié)合，從而大大延長(zhǎng)其壽命。

制造癌癥藥物并將其送入腫瘤

在2016年的自然界中，由Hasty領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員和麻省理工學(xué)院的同事一起描述了一種“同步裂解回路”，可用于傳遞由腫瘤內(nèi)和周圍積聚的細(xì)菌產(chǎn)生的致癌藥物。這導(dǎo)致加州大學(xué)圣地亞哥分校集團(tuán)專注于在Science上發(fā)表的實(shí)驗(yàn)的同步裂解平臺(tái)。

這些協(xié)調(diào)的爆炸僅在達(dá)到預(yù)定密度的細(xì)胞時(shí)才發(fā)生，這要?dú)w功于遺傳電路中的“群體感應(yīng)”功能。爆炸后，大約10%未爆炸的細(xì)菌群開(kāi)始再次生長(zhǎng)。當(dāng)人口密度再次達(dá)到預(yù)定密度(更多“群體感應(yīng)”)時(shí)，將觸發(fā)另一次藥物輸送爆炸，并且由研究人員的同步裂解回路編碼的過(guò)程重新開(kāi)始。

然而，挑戰(zhàn)在于這種致癌的遺傳回路 - 以及合成生物學(xué)家創(chuàng)造的其他遺傳回路 -最終停止在細(xì)菌中起作用。罪魁禍?zhǔn)?。由進(jìn)化過(guò)程驅(qū)動(dòng)的突變。

“事實(shí)上，一些蟲子在腫瘤中自然生長(zhǎng)，我們可以設(shè)計(jì)它們來(lái)生產(chǎn)和提供體內(nèi)治療，這對(duì)合成生物學(xué)來(lái)說(shuō)是一個(gè)改變游戲規(guī)則的因素，”Hasty說(shuō)。“但我們必須找到保持基因回路運(yùn)行的方法。仍有工作要做，但我們表明我們可以交換種群并保持電路運(yùn)行。這是合成生物學(xué)的一大進(jìn)步。”

其中一個(gè)致力于進(jìn)一步推進(jìn)和實(shí)施同步裂解回路的研究團(tuán)隊(duì)由現(xiàn)任哥倫比亞大學(xué)教授的Tal Danino負(fù)責(zé)，他還發(fā)表了關(guān)于合成生物學(xué)群體感應(yīng)發(fā)展的開(kāi)創(chuàng)性工作，作為他的博士學(xué)位的一部分。加州大學(xué)圣地亞哥分校

“Tal最近表明，同步裂解技術(shù)可用于對(duì)小鼠腫瘤進(jìn)行免疫治療。據(jù)我所知，他們是第一個(gè)證明在治療腫瘤中細(xì)菌藥物的產(chǎn)生和分娩可以改變免疫系統(tǒng)以攻擊未治療腫瘤的方法。結(jié)果令人著迷。他們還強(qiáng)調(diào)了我們?nèi)绾未_定如何盡可能長(zhǎng)時(shí)間保持裂解回路運(yùn)行的重要性，“Hasty說(shuō)。

目前的方法不限于三應(yīng)變系統(tǒng)。例如，各個(gè)微生物群可以各自被編程以產(chǎn)生不同的藥物，提供精確組合藥物療法治療癌癥的潛力。

研究人員使用微流體裝置研究了種群的動(dòng)態(tài)，這些裝置允許不同亞種群之間的受控相互作用。他們還證明了在較大的井中進(jìn)行測(cè)試時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)健的。

下一步將是將該方法與標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定方法相結(jié)合，并證明該系統(tǒng)在活體動(dòng)物模型中有效。

“我們正在融合一個(gè)極其穩(wěn)定的藥物輸送平臺(tái)，對(duì)細(xì)菌療法具有廣泛的適用性，”Hasty表示。

Hasty，Din和Danino是GenCirq的聯(lián)合創(chuàng)始人，GenCirq是一家尋求將這項(xiàng)及相關(guān)工作轉(zhuǎn)移到診所的公司。