合成生物学

本期中英文目录

2023, 4(2): 1.

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合成生物开启生物医药崭新篇章：预防、诊断与治疗

宋斐, 蔡志明, 黄卫人

2023, 4(2): 241-243. doi:10.12211/2096-8280.2023-030

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合成生物学在疾病诊疗中的应用

吴晓昊, 廖荣东, 李飞云, 欧阳中天, 冉怡, 公维远, 曲明灏, 陈明珏, 林荔军, 肖国芝

2023, 4(2): 244-262. doi:10.12211/2096-8280.2022-059

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合成生物学是一门新兴学科。从广义上讲，合成生物学是通过将基因工程、系统生物学、计算机工程等多学科作为工具，根据特定需求进行设计，乃至重新合成生物体系。近20年来，合成生物学领域的相关研究不断取得突破，并已在针对人类疾病的诊断、临床治疗、药物研发等诸多方面获得重要应用。合成生物学不仅为疾病的早期、精确诊断提供新的思路和技术手段，还发展出多种新型的疾病治疗手段，包括基于合成生物学原理设计的细胞疗法、细菌疗法、疫苗、生物医学材料等。利用合成生物学方法，我们可以精确诊断早期疾病、精准改造细胞或细菌、进行疾病机制研究和药物筛选、快速生产新型疫苗和生物医学材料。基于合成生物学的疾病诊疗方法将是科研领域重要的发展方向之一，并将在未来彻底改变临床疾病的诊疗方式。本文综述合成生物学原理和技术在疾病诊断和治疗中的应用，并进一步探讨合成生物学在疫苗生产、生物医学材料、新药研发等方面的应用。

微生物合成生物学在疾病诊疗上的应用进展

高纤云, 牛灵雪, 见妮, 管宁子

2023, 4(2): 263-282. doi:10.12211/2096-8280.2022-067

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在人体的身体内部居住着数以万亿计的细菌和其他微生物，寄生在我们的皮肤、胃肠道和口腔等部位，微生物群失调已成为炎症性肠病、过敏、肥胖、心血管以及神经退行性疾病和癌症等多种疾病发生发展的重要原因。与此同时，利用微生物制剂改善健康状况、治疗疾病也在研究和临床中得到验证。近年来，活体生物药不断被开发用于预防、诊断与治疗疾病。采用合成生物学手段在微生物中设计、构建精准可控的基因电路，获得非致病性、具有疾病微环境感知和响应能力并按需释放治疗药物的活体工程菌，实施活体微生物疗法，已成为临床疾病治疗的新思路和新方法。本文对微生物合成生物学在疾病诊疗中的应用进展，如预防与诊疗病原菌感染、治疗代谢疾病、靶向杀伤肿瘤、缓解炎症等进行了系统性总结，并针对微生物传感器设计和推广到临床应用中面临的问题和未来的发展进行了分析与展望。利用合成生物学在微生物中设计的生物传感器能智能感知疾病微环境并可控地提供药物，在疾病的监测和治疗中有巨大的应用前景。

工程噬菌体的合成生物学“智造”

陈青黎, 童贻刚

2023, 4(2): 283-300. doi:10.12211/2096-8280.2022-070

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噬菌体，以杀菌特性而闻名的天然病毒，是地球上多样性和丰度最高的生物体。在过去100多年中，噬菌体的研究极大地推动了遗传学、分子生物学和合成生物学的发展。随着耐药超级细菌的流行，噬菌体疗法引人入胜的科学历史也被广为传颂。然而，相对于自然环境中丰富的噬菌体数量（总数为10³¹，比所有其他生物的总和还要多），目前只有少数噬菌体成功应用于对抗耐药性细菌感染及其他工程领域。当前，急需践行合成生物学从“造物致知”到“造物致用”理念，采用高通量测序和基因组精准编辑等先进生物技术来创建具有独特属性的增强变体，提高噬菌体治疗的疗效和可编程性。本文综述了近年来噬菌体基因工程改造方法的技术进展以及合成生物学助力噬菌体应用技术发展的研究动态，如按照实际需求改造噬菌体宿主范围、借助宏基因组挖掘自然界中噬菌体的广泛资源、结合多组学技术揭示噬菌体与宿主互作的分子机制、调控肠道噬菌体组维持肠道稳态以促进人体健康及利用大数据和新型人工智能指导噬菌体理性设计。总之，合成生物学正在跨时代驱动传统实验研究范式转变，结合“设计—构建—测试—学习（DBTL）循环”理性设计目标噬菌体，无论是自上而下的体系优化，还是自下而上的生命体重构，工程噬菌体的合成生物学“智造”都大有可为。

合成生物学在疾病信息记录与实时监测中的应用潜力

马孟丹, 刘宇辰

2023, 4(2): 301-317. doi:10.12211/2096-8280.2022-058

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实时、高效和动态地改变储存在基因组中信息的能力是研究细胞生物学、控制细胞表型、监测疾病发展进程、研究原位生物学的一大技术进步。CRISPR-Cas系统的最新研究进展推动了体内DNA和RNA的精确编辑，复杂多变的基因线路使细胞工程化改造成为可能。DNA具有强大的储存信息的能力，可稳定保存数千年，在体内利用DNA记录分子事件是监测细胞信号变化和协调细胞行为的关键技术，能将细胞的瞬时信号转化为可持续反应，并永久保存下来。利用该技术，研究人员能更深入地了解在健康和疾病状态下从基因型到表型转变、临床中患者的疾病发生和用药反应情况、检测生产生活环境的变化。本文概述了合成生物学在DNA存储和细胞实时监测中的技术和应用，以及CRISPR-Cas系统在活细胞中处理和记录各种信息的优势，最后展望了它们在疾病研究和治疗方面的前景和挑战。

合成生物学在下一代基因诊断技术中的应用进展

吕海龙, 王建, 吕浩, 王金, 徐勇, 顾大勇

2023, 4(2): 318-332. doi:10.12211/2096-8280.2022-061

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近年来，合成生物学技术取得了飞速的发展，与此同时也极大地推动了基因诊断领域的技术革新和应用拓展。准确诊断疾病和监测治疗后反应的检测方法对有效的临床管理至关重要，合成生物学作为一门以设计为导向的学科，试图重新设计生物系统，以便以可预测的方式执行新的功能，对这一领域的最新进展进行综述对疾病的预防、预测、诊断、治疗和预后具有重要意义。本文以该主题作为切入点，首先介绍了目前合成生物学在基因诊断中的应用类别，包括已经被开发出来的用于体外和体内的不同生物传感器；随后介绍了下一代基因诊断技术的发展方向以及基因诊断领域的合成生物学装置和技术进展；此外，本文讨论了目前基因诊断领域中存在的技术问题及其在临床应用中面临的挑战。最后，我们提请注意合成生物学中的最新创新，这些创新可能会对基因诊断的未来应用产生重大影响。

合成生物学与病毒疫苗研发

申赵铃, 吴艳玲, 应天雷

2023, 4(2): 333-346. doi:10.12211/2096-8280.2022-064

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病毒所致的传染性疾病严重危害公共卫生安全，给全球人类健康与经济发展带来了巨大的威胁。疫苗是防治传染性疾病传播的一个关键且有效的手段，包括全病毒疫苗、亚单位疫苗、核酸疫苗等。然而，现有的疫苗开发策略面临研发周期、有效性、安全性等系列问题，是当今应对新发传染病的难点和痛点。利用合成生物学技术，比如密码子优化技术、可基因编码点击化学技术、生物偶联技术等，可以克服以上问题，在短时间内研发出安全且高效的病毒合成疫苗，因此合成生物学技术在病毒合成疫苗研发中的应用越来越广泛。本文总结了传统病毒疫苗的现状与应用，进而阐述了合成生物学技术在病毒疫苗研发中的应用与优势，并提出了病毒合成疫苗将要面临的挑战，为设计下一代新型病毒疫苗提供思路和方法。

蚊媒黄病毒传播机制及疫苗与药物研发进展

余茜, 刘建英, 程功

2023, 4(2): 347-372. doi:10.12211/2096-8280.2022-069

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蚊媒病毒可通过蚊虫叮咬在宿主和蚊虫媒介之间传播循环。由蚊媒传播的病毒达数百种之多，每年可造成数亿人感染，这些病毒感染可引起严重的人类疾病，如出血热、关节炎、脑炎和脑膜炎等，严重者可导致死亡。蚊媒病毒大部分为RNA病毒，其中黄病毒科的蚊媒病毒流行最为广泛，包括登革病毒、寨卡病毒、黄热病毒、乙型脑炎病毒和西尼罗病毒等。目前虽然已有针对少数蚊媒黄病毒的有效疫苗，例如预防黄热病病毒和乙型脑炎病毒的疫苗，但仍然没有针对大多数蚊媒黄病毒的有效预防性疫苗和抗病毒疗法。因此，全面了解蚊媒黄病毒在脊椎动物宿主与蚊虫之间的感染与传播的机制，可能为抗蚊媒黄病毒的疫苗与药物研发提供新的思路与目标，从而使我们能够更有效地预测和控制蚊媒黄病毒在自然界传播和流行，为应对蚊媒黄病毒造成的公共卫生威胁提供新的解决方案。本文首先描述了蚊媒黄病毒的生物学特性和流行病学特性，接下来介绍了蚊媒黄病毒的传播途径与媒介模型，并进一步全面总结了目前对蚊媒黄病毒在宿主和媒介之间传播机制及病毒在蚊虫媒介中的感染机制的研究，同时针对蚊媒黄病毒的新型疫苗研发和药物筛选策略，对未来针对蚊媒黄病毒的机制研究与抗病毒策略开发进行了展望。

合成生物学与工程化T细胞治疗

谢君鸿, 何晶晶, 周鹏辉

2023, 4(2): 373-393. doi:10.12211/2096-8280.2022-063

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近年来，工程化T细胞治疗在肿瘤免疫治疗领域取得了重大进展。工程化T细胞治疗主要包括T细胞受体基因工程T细胞（T-cell receptor-engineered T cell， TCR-T）疗法和嵌合抗原受体T细胞（chimeric antigen receptor T cell， CAR-T）疗法，其中，CAR-T疗法在恶性血液肿瘤中展现出了巨大的潜力和应用价值，而TCR-T疗法则在部分实体瘤中呈现出了较好的治疗效果。然而，针对大部分肿瘤，特别是实体肿瘤，当前工程化T细胞疗法还存在效率低、安全性不足等问题。通过合成生物学手段使工程化T细胞克服当前限制，将为研制更安全、高效的工程化T细胞带来新的机遇。本文将从工程化T细胞的结构和信号激活、靶点选择、亲和力优化、安全性改造以及基因编辑改造等方面综述工程化T细胞的合成生物学改造策略，并探讨这些优化措施在肿瘤免疫治疗应用中的最新进展。

哺乳动物染色体工程研究进展

朱骊宇, 赵玉龙, 李伟, 王立宾

2023, 4(2): 394-406. doi:10.12211/2096-8280.2022-072

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哺乳动物染色体工程是指通过多种实验手段对哺乳动物的染色体进行编辑，从而可以构建疾病动物模型、制备人源化药物工厂、解析物种进化机制甚至于合成全新生命。近些年，天然染色体改造技术、染色体设计与合成技术及染色体大片段转移技术等哺乳动物染色体工程的核心技术迅速发展，并相互交叉融合。同时，胚胎干细胞被发展为一种新型的哺乳动物合成生物学的底盘细胞，极大地推动了哺乳动物染色体工程的发展，催生了一大批用于医药和进化研究的动物模型，包括模拟唐氏综合征的小鼠模型、产生人类单克隆抗体的工具小鼠以及用于研究染色体重组生物学效应的染色体连接小鼠等，也极大推动了基础研究和生物医药领域的发展。但是，因为缺乏对哺乳动物染色体和发育的全面认知，所以对哺乳动物染色体的操纵仍面临诸多挑战，不仅包括技术手段，也包括生物伦理及安全性等。本文将对以上三种哺乳动物染色体工程主要的技术方法及其在多方面的应用进展进行简要综述，同时对哺乳动物染色体工程的进一步应用与挑战进行展望。

植入式脑机接口在医疗与科研中的作用与应用

刘菱, 郑胜杰, 窦汇溪, 李骁健

2023, 4(2): 407-417. doi:10.12211/2096-8280.2022-071

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脑机接口，目前主要作为一种神经替代体存在，它使电子设备能够直接与大脑的某些部分，通常是大脑皮层进行通信。近几年植入式脑机接口技术取得了非常显著的进步，功能应用方面也有了重大的拓展。最常见的脑机接口应用在医疗方面，典型形式如仅通过采集大脑的信号就能合成出听得懂的语音，通过对大脑感觉皮层进行定点电刺激来获得人工触觉，让上肢瘫痪的患者通过想象拨动手指来使用平板电脑，通过电刺激手部特定肌肉群来恢复对手的控制功能，等等。像脊髓损伤、运动神经元疾病或中风等病症目前是难以治疗的，通过脑机接口的方式可以恢复瘫痪患者的实质性交互功能。另外，在神经科学研究领域，脑机接口也是研究神经替代体和大脑-行为关系中意识和潜意识反馈的强大方法。这两个方面中的研究主流都是针对运动功能的脑机接口。本文回顾了脑机接口的发展以及不同类型的信号源，并分别对面向医疗和面向科研的脑机接口进行介绍。

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