国外合成生物学重大项目及最新应用成果

国外合成生物学重大项目及最新应用成果

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编者按:近年来,学科间的交叉会聚越来越明显,科技创新成果层出不穷。中国科协与生命科学学会联合体、清洁能源学会联合体、信息科技学会联合体、军民融合学会联合体、智能制造学会联合体联合,通过长期的跟踪研究,把握世界科技前沿动态,并定期以“中国科协创新智库产品”发布报告。本文主要介绍合成生物学领域近五年国外重大项目及应用成果,为科技管理人员了解国内外生命科学的前沿技术及发展趋势提供决策咨询,也为研究与开发人员提供综合的参考信息。

一、合成生物学在基因回路及元件挖掘、底盘细胞及基因组合成等领域的重大项目

国外合成生物学重大项目及最新应用成果

国外合成生物学重大项目及最新应用成果

二、合成生物学在医药、生物能源、化学品等产业中均有重大成果

1. 医药

(1) 工程化真菌用于青蒿素前体人工合成

美国Amyris公司在2013年4月成功开发出能生成青蒿素化学前体的人工酵母。该药是新兴的合成生物学领域取得的第一项成果,青蒿素能够成为发展中国家中每年数亿疟疾感染者的救命药物。法国制药业巨头Sanofi宣布开始应用Amyris生物技术公司开发的青蒿素生产工艺工业化生产青蒿素。2014年产出35吨青蒿素原料药,可供7000万治疗人份用药。该公司预测,未来生产出的青蒿素原料药,可以提供给1.0—1.5亿治疗人份用药。

(2) 工程化细菌用于诊断早期癌症与糖尿病

美国MIT的生物医学工程师Sangeeta Bhatia与来自UCSD的Jeff Hasty团队通过遗传改造向大肠杆菌植入LacZ报告基因,这一基因能够在细菌接触到肿瘤细胞时开始表达,从而表达大量的LacZ酶。接着,研究者们向小鼠注射交联的化学发光底物,这一底物在LacZ存在的情况下会被切割从而释放化学发光,汇集到小鼠尿液中。具有这一信号的尿液样品将会由原本的黄色变为红色。另外,Bhatia等人还发现这一手段比常规显微镜更加灵敏,对于直径小于一厘米的肿瘤也能够明显检测到。在另外一项独立的研究中,来自法国Montpellier大学的结构生物学家Jerome Bonnet等人利用相似的技术成功检测到了糖尿病的症状,主要标志为尿液中的糖类成分。

(3) 人工合成细胞感应分子“Notch”用于杀死肿瘤细胞

加利福尼亚大学的Wendell Lim团队在老鼠的细胞中创造了新的人造Notch分子,新的外部传感部件和新基因活化的部分。研究表明,这种分子可能改造、转换一个细胞,让其在体内能够识别任何分子和打开任何基因的响应。例如细胞会感应分子的损伤和打开刺激修复的基因,或者它们可能会感应到“癌症”的相关分子,并激活基因,让免疫系统杀死肿瘤细胞。它们甚至可能感应微小的人造支架的蛋白质,填充膀胱、肝脏或其他专门的细胞生成替代器官。

(4) 工程化酵母菌生产阿片类药物

美国加州斯坦福大学(Stanford University)的 Smolke等研究人员将植物,细菌和啮齿动物基因混合导入酵母菌中。改造过的酵母菌成功地将糖转化为蒂巴因(thebaine)—吗啡等强大止痛药物的前体。该研究团队还发现,进一步调整过的酵母可以产生氢可酮,一种广泛使用的,由蒂巴因化学合成的止痛药。

(5) 人工设计、合成了一种可以取代胰岛β细胞的人造细胞(HEK-β)

瑞士苏黎世联邦理工大学(ETH Zürich)合成生物学大师Martin Fussenegger教授实验室利用人类的肾脏细胞(HEK-293细胞),利用最简单、最直接的方法设计获得了具有正常β细胞功能的人工HEK-β细胞。这个细胞可以直接感受血液中葡萄糖,当血糖浓度超过一定阈值后,其可以分泌足够的胰岛素用来降血糖。

2. 生物能源

(1) 利用转基因细菌合成高能生物燃料

佐治亚理工学院与联合生物能源研究院科学家通过转基因工程改造细菌,让它们能合成蒎烯,有望替代JP-10 用在导弹发射及其他航空领域。从石油中提炼JP-10 供给有限,将来生物燃料有望补其不足,甚至促进新一代发动机的开发。

(2) 利用经遗传改造的细菌将生物质能直接转化为乙醇

佐治亚大学研究人员对能降解木质纤维素的细菌嗜热木聚糖酶进行遗传改造后,其直接将以柳枝稷为原料的生物质能转化成了乙醇燃料。该研究未来有望实现工业化生产,生产出物美价廉的燃料。

(3) 利用经遗传改造的细菌将细菌合成生物柴油的效率倍增

美国能源部联合生物能源研究所的研究人员构建出一个动态传感器调节系统,可以在脂肪酸燃料或化学品生产过程中控制相关基因的表达,调节微生物体内的代谢变化,使葡萄糖生产生物柴油的产量提高3倍。

3. 化学品

大肠杆菌“造”出最耐热生物塑料

日本研究人员注意到,某些放线菌分泌的一种氨基肉桂酸拥有非常坚固的结构,并根据这一发现对大肠杆菌进行基因重组,再利用它使糖分发酵,制作出400摄氏度左右高温下也不会变性的生物塑料,是当前同类塑料中最耐热的。这种塑料是透明的,硬度特别高,用于汽车上代替玻璃,能大幅度减轻汽车重量,从而节约能源、减少二氧化碳排放。这种生物塑料用来自植物等的生物质为原材料生产,有利于保护环境。

4. 综合平台

美国哈佛大学Wyss生物工程研究所,波士顿大学等处的研究人员发现基于纸张的体外平台,能为合成生物学家提供了一种多用途可变系统,可以作为实验室以外的工程基因网络中介,由此发展出价格低廉、无菌的非生物合成生物学技术,这能用于临床医疗,全球健康,工业,研究和教育等多个方面。

中国科协生命科学学会联合体供稿,原文内容有删减。

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