合成生物学的医学应用研究进展

人工细菌用于代谢疾病诊疗

美国生物药物公司 Synlogic 在2017年8月正式登陆纳斯达克资本市场，其重点业务是利用合成生物学遗传改造益生菌来治疗代谢疾病、炎症和癌症等。Synlogic 对益生菌进行基因改造后开发的 SYNC1618 被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为治疗苯丙酮尿症（PKU）的孤儿药。Synlogic 还发起了尿素循环障碍（UCD）合成生物学治疗药品的人体临床试验，以验证人工细菌的治疗潜力。

哥伦比亚大学研发了肠道活细菌“记录仪”，可以实现肠道内多种代谢物的检测。该团队改造了一段 DNA 质粒，使其在肠道微生物宿主中响应外部信号时可以创建更多的自身拷贝，同时使用另一个独立的表达 CRISPR-Cas 系统组件的质粒驱动记录仪和标记时间。在没有外部信号的情况下，只有记录质粒活动，细胞把这些间隔序列拷贝插入基因组 CRISPR 位点。当添加外部信号时，另一质粒也被激活，其序列也被插入至 CRISPR 位点。这样，混合而成的背景序列就富含了时间和信号信息。研究人员可以通过检查细菌的各个 CRISPR 位点，用计算机工具读取细菌都经历了什么。文章证明，该系统至少能处理 3 个同步信号并储存宿主肠道中 3 天的数据信息。

麻省理工学院团队研发了由活细胞传感器和超低功率微型电子器件组成的可吞入诊断工具。通过表达特定基因线路的有益大肠杆菌，细菌在遇到血红素后立即表达发光蛋白，以检验消化道出血。细菌位于被半透膜覆盖的定制传感器上，这种膜可以允许周围小分子透过，但不会泄露细菌。在盛放细菌的 4 个小皿下面是一个光电晶体管，用于测量细菌的产光量，并将数据传递给微处理器，再通过无线电发送给附近的计算机或智能手机。研究人员专门开发了一款 Android 应用程序用来分析这些数据。当传感器通过胃部时，内部细菌就能一路捕获目标标志物。传感器总长仅约 3.8 cm，运行功率约 13 μW；目前在大型哺乳动物猪身上已证明了传感器的有效性。该团队还另外设计了响应炎症标志物的其他传感器。

人工细菌用于抵抗疟原虫

疟疾由疟原虫这种单细胞生物寄生诱发，疟原虫通过受感染的雌性按蚊叮咬传至人类。因此，对按蚊的控制被认为是预防疟疾的重要手段。中国科学院上海植物生理生态研究所等发现一种沙雷氏菌属（Serratia）的新菌株 AS1 能在按蚊中进行持续跨代传播，并成功地人工构建出能同时分泌表达 5 个抗疟基因的菌株，能够有效减少 92%—93% 的疟原虫卵囊。通过高效驱动抗疟效应分子快速散播到整个蚊群中，能够使按蚊成为无效的疟疾媒介，实现从源头上阻断疟疾传播。