從使能技術(shù)創(chuàng)新到工程化平臺(tái)建設(shè)

顛覆性使能技術(shù)是支撐合成生物學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵，而?DNA?合成以及高效基因組編輯技術(shù)都是其核心使能技術(shù)。現(xiàn)有基因合成的主流方法是基于寡核苷酸合成儀來合成寡核苷酸，然后在此基礎(chǔ)上利用?PCR?等手段來進(jìn)行基因合成；該技術(shù)的工程化使合成通量大幅度提高，催生了眾多生物公司開展基因合成業(yè)務(wù)，合成價(jià)格也因此極大降低。但是，為進(jìn)一步降低超長(zhǎng)序列（如基因組）合成的成本，不少團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)基于芯片法合成高精度寡核苷酸池，配以不同的拼接手段實(shí)現(xiàn)最后拼接的方法。除化學(xué)合成寡核苷酸的方法外，科學(xué)家也在探索利用末端轉(zhuǎn)移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT）直接快速合成?DNA，有希望直接合成比目前方法長(zhǎng)?10?倍的?DNA?鏈，且不需要使用毒性化學(xué)物。當(dāng)然，隨著?DNA?合成價(jià)格的降低，基于?DNA?的信息存儲(chǔ)也將是未來一個(gè)很有前景的發(fā)展方向。

科學(xué)家一直在探索實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組（特別是高等生物基因組）的精準(zhǔn)編輯，曾研發(fā)了鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases, ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)因子核酸酶（transcription activator-like effector nucleases, TALEN）等方法。由于?CRISPR?系統(tǒng)的高效、方便、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，這兩種方法在?CRISPR?系統(tǒng)發(fā)展起來之后被逐漸淘汰。從?2012?年起，科學(xué)家利用?CRISPR-Cas?體系的可編程和精準(zhǔn)切割等特點(diǎn)陸續(xù)發(fā)展了一系列基因組編輯的工具，其宿主范圍目前已經(jīng)覆蓋了從細(xì)菌到高等生物，而且還在不斷增加中。

CRISPR-Cas?介導(dǎo)的基因組編輯的基本原理是利用向?qū)?RNA?介導(dǎo)?Cas?蛋白在特定的靶標(biāo)序列處引起?dsDNA?的斷裂，然后利用同源重組方法進(jìn)行精準(zhǔn)的?DNA?序列替換或利用非同源末端連接方法進(jìn)行靶標(biāo)基因的中斷。在此基礎(chǔ)上，一系列衍生方法得以發(fā)展，如利用只切割一條鏈的?Cas9?切口酶（Cas9-nickase）突變體連組合來降低基因組編輯的脫靶率。最近，基于?CRISPR?發(fā)展起來的單堿基編輯器在不造成靶標(biāo)?DNA?斷裂的情況下，通過對(duì)特定的堿基進(jìn)行脫氨來進(jìn)行基因組的精確編輯，被認(rèn)為有較好的發(fā)展前景。此外，利用失活的?Cas?蛋白還可以進(jìn)行靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、表觀遺傳修飾研究和基因組的成像等。值得一提的是，除了基因組編輯外，Cas13、Cas12?以及?Cas14?等蛋白在結(jié)合了靶標(biāo)?DNA?后會(huì)誘發(fā)其旁路切割活力，進(jìn)而被開發(fā)成下一代分子診斷技術(shù)；在該方向上，我國(guó)的科學(xué)家也做出了原創(chuàng)性的成果。

生命體具有高度復(fù)雜性，人工設(shè)計(jì)的基因線路很難完全按照預(yù)期工作，往往需要長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)調(diào)諧。克服這一難題的最有效手段，是建立工程化研究平臺(tái)，大批量測(cè)試多種元件、線路、底盤的組合，獲取海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)進(jìn)一步工程優(yōu)化與理性設(shè)計(jì)。工程化平臺(tái)的核心合成生物研究的自動(dòng)化設(shè)施，亦稱為生物鑄造廠，依照“設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測(cè)試—學(xué)習(xí)”的閉環(huán)策略組織工藝流程，進(jìn)行工程化的海量試錯(cuò)，從而快速獲得具有目標(biāo)功能的合成生命體。如美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的?Agile BioFoundry，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的?iBioFAB，美國(guó)麻省理工學(xué)院的?MIT-Broad Foundry，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的?London DNA Foundry，以及產(chǎn)業(yè)界的?Amyris?公司、Zymergen?公司、Ginkgo?公司等。在此背景下，我國(guó)規(guī)劃由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院承擔(dān)建設(shè)全球最大的合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。值得指出的是，從原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，僅僅依賴于自動(dòng)化設(shè)施是不夠的。例如，人工酵母細(xì)胞生產(chǎn)青蒿素，是合成生物學(xué)領(lǐng)域目前最成功的產(chǎn)業(yè)化案例。項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)者美國(guó)?Jay Keasling?教授，圍繞工程化平臺(tái)建立了完整的研發(fā)體系——由勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)上游原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）負(fù)責(zé)中游技術(shù)開發(fā)，Amyris?公司負(fù)責(zé)下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新鏈條。這些圍繞工程化平臺(tái)的體制與機(jī)制創(chuàng)新，值得深入研究與思考，為充分發(fā)揮我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)合成生物學(xué)研究、創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)的巨大推動(dòng)作用提供重要借鑒。

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