由于DNA合成和测序的成本降低和进步，对基因组组织的知识的提高以及数据科学的使用增加，合成生物学的应用在过去十年中迅速扩展。它可用于设计新的生物系统或重新设计现有的生物系统，以在各种领域（包括诊断，制造业，农业和治疗学）的多种目的表现出理想的特性和新功能。

治疗剂的发展是耗时，昂贵和具有挑战性的过程。从第一阶段到发射，开发一种既有效又安全的药物的累积成功率很低（约有90％的候选药物到达早期临床发展失败）。因此，有很大的动力来利用合成生物学在药物开发中的承诺，增加治疗性将其推向市场的机会，从而使其在现实世界中受益于患者。本文将讨论如何在治疗发育的各个阶段应用合成生物学原理 - 从阐明疾病机制和识别药物靶标到大规模生产治疗剂。

通过识别新型基因簇来发现天然产物

天然产物是具有药理学或生物学活性的化合物，是由生物本质上生产的，可用作新药的来源。天然产物比化学合成的药物分子更为复杂。但是，越来越多的研究正在解决与它们的隔离，优化和合成有关的挑战。

“天然产品在历史上是无与伦比的药物发现来源。比利时罗马尼亚比分直播但是，它们的低可及性（例如供应和模拟合成问题）阻止了它们用于制药公司的药物开发。因此，我们的动机是开发解决上述问题的方法，使我们能够通过使用合成生物学方法有效地使用天然产品进行药物发现。”比利时罗马尼亚比分直播Teigo Asai，东北大学制药科学研究生院教授。

合成生物学方法可以与 基因组开采 从天然药物中发现新型的生物合成基因簇。



使用合成生物学，ASAI及其同事 确定 这种真菌是多种天然产品的丰富来源，大量化学生产可能具有挑战性。一个例子是含十二烷酰二萜的pryones（DDPS），一种类型的Moroterpenoid天然产物，它显示出对癌细胞增殖活性的希望。

该团队使用基因组挖掘，确定了真菌中推定的DDP基因簇，从这些簇设计了五个途径，并在异源宿主中逐步重建它们：丝状真菌曲霉菌NSAR1。这些生物合成基因簇源自不可培养的生物，因此必须在已建立的宿主中进行异源表达。合成生物学对于产生良好的特征也至关重要 底盘生物 ， 像曲霉虫，可以在遗传上操纵以促进药物生产。

Asai等。在这些途径上引入了其他修饰酶，以生成22个DDP，以前尚未报告过15种类似物。最后，他们测试了DDP类似物，发现可以抑制癌症干细胞增殖，抑制HIV并预防淀粉样蛋白β形成的候选者。Asai在讨论合成生物学的力量时说：“在这项研究中，我们表明，基于生物合成途径的重新设计的组合生物合成对于合理扩展生物活性天然产物的化学空间是有利的。我们还证明了该文库对于发现生物活性分子很有用。”

由Asai领导的同一支团队最近进行了真菌基因组挖掘，并发现了推定的大花环（一类天然产物）生物合成基因簇。使用振动光谱和晶体海绵法确定产生化合物的立体化学，他们提出了其生物合成途径。这项研究进一步表明，通过合成方法，可以在遗传上转化细胞以产生结构复杂的生化分子。

Asai详细阐述了：“我们目前正在将方法扩展到其他类型的天然产品，以构建一系列天然产品图书馆，以查找药物“种子”，尤其是用于难治性癌症和棘手的传染病。此外，我们还通过使用合成生物学方法从基因资源中发现和生产具有新型结构和生物活性的天然产品。”

可扩展的基因组工程如何通过自动化工作流如何改善结果

我们依赖于人类和动物健康的许多药物都是基于自然的化合物，这些化合物通常很难发现，很难提取或在自然来源中纯化。这些限制会阻碍生产并威胁到获得至关重要的治疗方法。下载此电子书以发现一个自动化的台式系统，该系统使您可以设计，工程，评估和跟踪编辑结果，同时轻松地集成到已建立的工作流程中。

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验证治疗靶标

目标验证中最有价值的合成生物学工具之一是群集定期间隔短的短质体重复序列-cas（CRISPR-cas）基因组编辑，收到2020诺贝尔化学奖。

使用CRISPR基因组编辑方法，研究人员创建了更加生理和疾病与疾病的细胞系，从而在临床前和临床发育之前增强了药物发现的目标验证步骤。比利时罗马尼亚比分直播另外，使用 Arrayed-Crispr库 ，研究人员还进行了大规模的全基因组筛查，以消除基因，并确定其在细胞生理和疾病发育（例如癌症）中的作用。

发表在 科学翻译医学 证明某些研究性癌症药物的治疗靶标实际上对肿瘤生长实际上并非 先前的报告使用RNA干扰和小分子抑制剂。研究人员利用了基于CRISPR-CAS9的方法来研究各个发展阶段的癌症治疗剂的药物 - 目标相互作用。他们发现，药物的功效不受拟议靶标的损失的影响，表明这些基因最初是被误认为是目标。

CRISPR基因编辑也可以用于识别突变 赋予阻力 吸毒。 洛克菲勒大学的Corynn Kasap及其同事开发了一种方法，将CRISPR-CAS9基因组编辑与高通量筛查相结合，以调查抗癌治疗的作用机制，包括 Ispinesib ，一种选择性的小分子抑制剂和细胞毒性药物YM155（棕​​褐色溴化物）。这样，他们能够使用癌细胞系探索该机制是否可能导致耐药性。他们的发现发表在 自然化学生物学 。

优化药物疗效

作为开发过程的一部分，随后对具有治疗价值的药物化合物进行了完善，以产生具有更高效力和更好选择性的化合物 作为...的一部分命中率和铅优化。这可以使用 药物化学 ，通过迭代的化学修饰回合，以更好地理解结构活性关系和代谢稳定性。基于诱变（例如容易发生聚合酶链反应）的定向进化，并且选择通常用作进化遗传编码分子（如蛋白质）的方法。一些最近开发的用于指导进化的合成生物学工具包括 体内连续进化 在酵母中， CRISPR激活诱导的胞苷脱氨酶 （援助）和 矫形器 这是基于正交DNA-聚合酶 - 质粒对。

使用合成基因片段在酵母中对植物代谢途径的快速工程

植物来源的药物容易发生短缺，因为它们的基于农业的供应链容易受到地缘政治和环境因素的影响。将这些药物的生物合成在贝克的酵母等可扩展生物体中重新生物合成将为植物种植提供经济的替代方法，该替代方案对区域和全球破坏以及可扩展的全球需求有弹性。下载此应用说明，以发现基因片段如何减少筛选克隆的时间并删除工程工作流程中的关键瓶颈。

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大规模生产治疗剂

候选药物的可扩展生产对于将其推向市场至关重要。CRISPR技术对于基因工程底盘微生物（例如大肠疾病 大肠杆菌和真菌可以在大型生物反应器中培养。酵母通常是药物发酵的“首选底盘”，因为它们拥有多个有利的特征例如，他们可以托管广泛的遗传工具，并需要廉价的增长媒体才能蓬勃发展。斯坦福大学研究人员Prashanth Srinivasan和克里斯蒂娜·斯莫尔克（Christina D. Smolke），，，，最近突出显示在自然，将酵母作为生物合成平台促进促进型热烷生物碱衍生物的发现。作为神经系统疾病的治疗剂，Tropane生物碱具有巨大的希望。

虽然合成生物学技术在酵母中建立了很好的确定，但为哺乳动物细胞工程开发的基于CRISPR的遗传工具包不容易适应其他微生物，例如大肠杆菌。



埃里科·高诺（Eriko Takano），，，， 曼彻斯特大学和同事合成生物学教授 建 CRISPR-CAS12A工具包，可以将大型DNA片段（例如整个代谢途径）集成到单个步骤（8.4 kbp）中。该技术还可以分别具有约80％和50％的效率的缺失或基因组集成没有遗传标记的使用增加了质粒大小。此外，在单个克隆步骤中，靶基因的稳健转录抑制作用效率> 90％。

“我的小组研究代谢工程链霉菌用于抗生素生产。为了有效地做到这一点，我们需要迅速添加和删除大量基因。新的CRISPR-CAS9方法对于此目的是完美的，因为它是有效的，但最初它不起作用S. Coelicolor因为它需要对每个细菌菌株进行仔细的优化。我们在论文中表明，可以通过微调Cas9表达来实现优化。我们发现，太高的CAS9表达可能对某些细菌有毒，例如S. Coelicolor，虽然过低的水平阻止系统运行，并在每种情况下都确定了Cas9表达式的特定物种甜点。” 高诺 。合成生物学正在使用转化的微生物作为“化学工厂”的新生物制造时代。

“目前，我们正在将这种CRISPR-CAS9系统扩展到其他亲戚S. Coelicolor，包括稀有的放线菌，这是一种用于新型抗生素的丰富储层。能够将这些有效的基因组编辑方法应用于各种不同的物种将使我们更快地使用这些新化合物，从而加速了我们的管道，以使次生代谢物生物合成基因簇的异源表达。”

发酵汤样品的快速定量分析

合成生物学的目的是设计微生物来创建所需的产品。因此，必须通过选择适当的环境条件和最高生产菌株来优化生产效率。下载此应用程序说明以发现一个实现筛查高通量的系统，需要最少的样品准备，并可以区分小型产品浓度差异。

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挑战和结论

尽管有合成生物学对治疗发展的承诺，但要承认其余的一些 挑战 。首先，遗传模块可能具有挑战性地标准化，并且不能简单地在各种蜂窝系统中“插入和播放”。通过对如何建模底盘生物的理解不足，这更加复杂。因此，通过识别细胞活力所需的最小基因集，为能够“从自下而上”构建细胞的努力是为了建立一个细胞。其次，由于环境影响，引入细胞的遗传回路可能不是永久且稳定的。可能导致批处理变异性，这可能会损害药物评估和生产。

第三，除了编码基因组外，还有非编码元件，它在调节基因表达中也起作用。但是，此过程需要进一步研究。最后，与工程系统可以轻松地通过轻微的修饰转移的工程系统不同，生物成分通常不容易在底盘生物体上转移，因为它们通常是非正交的，并且可以与底盘的基因，蛋白质和代谢物相互作用。

如概述，合成生物学是化学合成和生物学疗法的治疗性发育的有前途的工具。随着合成生物学的“工具包”不断扩大，并应对挑战，我们可以预期这种方法可以在未来几年中释放其对治疗发现和发展的几个阶段的影响。