Research on live biotherapeutic products in metabolic diseases Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-024

Table 1 Current status of industrialization of live biotherapeutic products

Extracts from the Article

针对PKU的病理特点，利用基因工程技术构建LBP已成为一种重要的治疗策略。其核心在于应用基因工程改造的微生物表达特定酶，在肠道内代谢过量的苯丙氨酸，从而降低其异常积累（图1）。例如，Synlogic公司的团队通过基因工程改造E.coli Nissle 1917（EcN）得到菌株SYNB1618［12］。该工程菌株整合了两条降解苯丙氨酸的途径。第一条途径表达苯丙氨酸氨解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase， PAL），催化苯丙氨酸脱氨为毒性较低的反式肉桂酸（trans-cinnamic acid， TCA）［13］。第二条途径表达L-氨基酸脱氨酶 （L-amino acid deaminase， LAAD），催化苯丙氨酸转化为苯丙酮酸。为实现肠道内苯丙氨酸降解，研究人员在EcN的染色体中整合了基因pheP（编码苯丙氨酸转运蛋白PheP）、基因stlA（编码PAL）和基因pma（编码LAAD），其中2个pheP基因和3个stl1A基因受厌氧诱导型启动子P_fnrS控制，1个pma基因由阿拉伯糖诱导型启动子P_BAD控制。为保证菌株的生物安全性，研究人员敲除了EcN中的dapA基因，构建了营养缺陷型菌株，使其依赖外源补充的二氨基庚二酸进行细胞壁合成和生长。研究发现，单一提高stlA基因的表达量并不能显著提升全细胞催化活性，因此研究团队致力于提高PAL自身的活性来进一步优化菌株性能。为实现这一目的，研究人员开发了一种TCA的变构转录因子（aTF）生物传感器［14］。利用该生物传感器，研究人员从一个包含超过一百万个变体的PAL突变体库中进行筛选，获得了最高活性突变体mPAL，其酶活性较野生型PAL提高了2倍。基于此，研究人员又构建了菌株SYNB1934。

综合现有研究，活体生物药在代谢类疾病的治疗剂开发方面展现出一定的应用前景，目前国内外已有相关公司推动活体生物药向临床转化，详见表1。但治疗代谢性疾病活体生物药的开发尚未达到一定的精细程度，缺乏精确且高效的调控机制，这限制了其疗效的发挥［39］。这些问题迫切需要科研人员的关注与解决。合成生物学的发展为活体生物药的研发提供了多样化的工具和方法，使研究人员能够利用特定的生物元件，精确设计和构建遗传电路，从而实现对特定基因的精确调控［40］。未来的研究方向应当集中在如何进一步优化活体生物药的设计与构建过程，特别是针对代谢类疾病的普遍病理特征（例如特定目标代谢物的异常积累）以及特定疾病的生理生化特性，进行精细化的设计和改造。这有望推动活体生物药在代谢疾病治疗剂开发领域的研究。

目前，这些菌株作为新一代活体生物药的底盘，仍处在研发初期，相关活体生物药开发的研究较少。2020年，有研究团队首次报道了利用布拉酵母异源表达抗炎蛋白治疗葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的炎症性肠病［82］。2021年，有研究报道了过表达猪表皮生长因子以减轻肠上皮损伤的丁酸梭菌［83］。同年，另有一项研究报道改造布拉酵母以实现在肠道中合成维生素A的前体β-胡萝卜素［84］。2023年，有研究团队利用工程化丁酸梭菌促进线粒体自噬，探究其对帕金森病小鼠模型的神经保护作用［85］。2025年，有研究报道设计丁酸梭菌持续表达和递送胰高血糖素样肽-1（GLP-1），用于治疗Ⅱ型糖尿病小鼠［86］。同年，华大研究院在酿酒酵母中对尿酸降解和转运元件进行筛选与开发，并通过调节元件表达来优化通路，最终将优化后的基因回路整合至布拉酵母基因组高表达位点，以治疗高尿酸血症［87］。

目前，活体生物药开发所用到的底盘种类有限，且部分底盘缺少高效的工具或系统.但随着活体生物药展现出巨大潜力，越来越多的研究团队开始拓展可应用于活体生物药的益生菌，同时开发相关的遗传工具与系统［39］.本文将从底盘选择与改造、遗传电路设计两个方面进行概述. ...