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无细胞合成生物学时代到来

如果您问西北航空工程公司的迈克尔·杰维特(Michael Jewett),无细胞基因表达的潜力一直很有意义。揭开细胞壁,收集其内部,并教导细胞催化剂产生新种类的分子和生物学过程,而没有使用完整活细胞的进化限制。

但是不到20年前,合成生物学领域才刚刚起步,仍然有很多值得证明的地方。

无细胞合成生物学时代到来

麦考密克工程学院化学与生物工程学教授杰维特说:“人们以为我们疯了。” “当我还是一名研究生时,制造蛋白质治疗剂的想法太模糊了。充其量来说,这种方法的成本效益不足以至无用,或者该系统无法产生足够的蛋白质做任何值得的事情。”

在11月29日发表在《自然评论遗传学》杂志上的一篇评论论文中,西北生物学中心主任Jewett探讨了无细胞工程是如何从专门的研究工具发展成为合成生物学中各种应用的基础的从环境到医学再到教育,对社会产生巨大影响。

现在,合成生物学引起了广泛的兴趣。他说:“商业技术正在围绕这些技术兴起。赠款机构正在意识到其重要性。” “无细胞系统的时间到了。现在。”

技术复兴

尽管无细胞基因表达已被用作研究工具已有50多年的历史,但其转化潜力却受到多种限制,包括蛋白质合成产量低且可变,反应持续时间短和反应规模小。研究人员还与控制细胞内反应环境仍然遥不可及的怀疑作斗争。

然而,在过去的20年中,合成生物学研究人员逐渐摆脱了无细胞基因表达潜力的帷幕,在实验室中发现了新的见解,从而带来了新的效率和应用范围,从生物传感器到测量和监测环境自然资源中的污染物用于治疗疾病的靶向疗法。

例如,Jewett和合作者最近开发了一种高产的一锅无细胞蛋白质合成平台,该平台源自基因组编码的大肠杆菌。该系统不仅经过优化,可以产生迄今为止最高的蛋白质批反应表达量,而且该平台还可以制造具有非规范氨基酸的蛋白质,扩展了蛋白质可利用的遗传编码化学成分,并为创建新型的蛋白质打开了大门。酶,材料和治疗剂。

杰维特说:“通过有一个平台,可以一次性使用高水平基因表达,该过程就变得更加民主化了。” “这令人兴奋,因为它有望使其他实验室更容易使用无细胞基因表达系统。”

西北最前沿

随着无细胞合成生物学的重要性日益提高,西北大学合成生物学中心也是如此。该中心成立于2016年,旨在汇聚该领域最聪明的人,并为研究和教育提供一个支持性的生态系统。该中心迅速确立了自己的地位,成为无细胞系统研究和技术开发的领导者。

Charles Deering McCormick卓越教学教授Jewett说:“该中心已经有机地成长为美国乃至全球领先的合成生物学中心之一。” “随着我们的团队聚集在一起,我们已经考虑了不仅与我们联系在一起的研究主题,而且还使西北航空具有独特的实力-并且已经出现了无细胞系统。”

中心教师的最新进展进一步推动了无细胞工程的边界。例如,Jewett和Milan Mrksich,Henry Wade Rogers生物医学工程教授合作开发了一种快速产生酶并分析其反应的方法。该系统将Jewett的无细胞蛋白质合成技术与Mrksich的SAMDI质谱仪平台相结合,将帮助合成生物学家比以往更快地设计更复杂的分子。

生物医学工程助理教授Neha Kamat最近展示了使用无细胞系统选择性驱动脂质纳米颗粒(一种新兴的药物递送载体)融合​​的首次实例,这为新型和复杂类型的生化反应打开了大门。化学和生物工程学副教授Danielle Tullman-Ercek正在发现控制微隔室系统(如病毒)功能的新规则,这些规则可以用作将无细胞系统衍生的蛋白质治疗剂输送到体内目标位置的容器。化学和生物工程副教授约书亚·伦纳德(Joshua Leonard)正在研究合成生物学和系统生物学的接口,以实现设计驱动的医学。今年早些时候,

该中心的工作还涉及启动空间。Stemloop出生于化学与生物工程副教授Julius Lucks的实验室。该公司运用Lucks的研究使命,通过一种技术平台来了解蜂窝系统如何感知和响应其环境,其中包括一种专注于环境水质监测的技术。Jewett最近还创立了SwiftScale Biologics,该公司试图使用无细胞系统加速药物进入市场。

由合成生物学中心顾问委员会成员詹姆斯·柯林斯(James Collins)创立的夏洛克生物科学公司(Sherlock Biosciences)使用工程生物学平台来创建更好,更快且价格合理的医学诊断测试。

杰维特说:“这项技术已经准备好在实验室外应用,以解决社会问题,并且公司正在涌现出来,在市场上给他们以公平的震动。” “人们认为曾经完全不可能的事情被证明超出了可能。”

即将发生的事情

Jewett说,未来十年将迎来更大的里程碑,这在一定程度上要归功于研究合作的发展。

美国西北航空公司正在与清洁能源初创公司LanzaTech和橡树岭国家实验室合作,开展由能源部支持的为期多年的项目,以利用梭菌(一种可代谢碳的细菌)来生产可持续燃料。Jewett及其实验室由化学和生物工程学副教授Keith Tyo以及Linda Broadbelt和Sarah Rebecca Roland化学与生物工程学教授加入,他们正在使用计算设计算法和无细胞工程技术来快速建立成千上万种潜在的生物合成途径的原型。可以优化梭菌的生物燃料生产的设计。

Jewett说:“借助无电池系统,我们的实验室可以在几天之内完成LanzaTech几个月的工程和测试工作。”

Jewett还设想通过中学和高中教室的体验性学习机会来扩展合成生物学教育。世界各地数百所学校希望将他的BioBits教育套件套件(与MIT和哈佛大学Wyss研究所合作开发)整合到科学课程中。交互式工具包现已在埃文斯顿和芝加哥的数十个教室中使用,使学生可以通过向冷冻干燥的无细胞反应中加入水和简单试剂来进行合成和分子生物学实验。

他说:“为学生提供培训机会至关重要,因此他们为支持和促进新兴的生物经济而感到兴奋。”

那么第一种由无细胞系统支持的FDA批准的治疗剂又如何呢?随着公司提高扩大工程蛋白生产规模的能力,Jewett希望工程疗法能够进入临床。

他说:“ FDA批准的产品无疑将是一个分水岭,我相信它将在未来十年内出现。”

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