合成(chéng)生物學(xué)的發(fā)展及在噬菌體中的應用

合成(chéng)生物學(xué)是設計和構建新的生物實體，例如酶、電路、模塊或系統，或通過(guò)對(duì)遺傳信息重新編程改造已存在的生物系統以達到我們想要的結果。合成(chéng)生物學(xué)自1960年代以來一直發(fā)展，随著(zhe)DNA合成(chéng)成(chéng)本的下降、基因工程技術的進(jìn)步以及基因組和數據科學(xué)的發(fā)展，合成(chéng)生物學(xué)在過(guò)去十年迅速擴張。合成(chéng)生物學(xué)與傳統分子和細胞生物學(xué)的區别在于，其重點在于設計和構建可以建模、理解和優化以滿足特定性能(néng)标準的核心組件，并將(jiāng)這(zhè)些較小的部件和設備組裝成(chéng)更大的集成(chéng)系統，以解決具體問題。本文將(jiāng)概述合成(chéng)生物學(xué)的發(fā)展和應用。
01  合成(chéng)生物學(xué)的發(fā)展
合成(chéng)生物學(xué)的發(fā)展曆程可分爲三個不同時(shí)期。1.基礎時(shí)期，許多經(jīng)典實驗和文化特征的建立；2.中間階段，領域擴大但工程滞後(hòu)；3.加速創新和轉變實踐的時(shí)代，新技術使我們能(néng)在生物技術和醫學(xué)方面(miàn)向(xiàng)實際應用邁進(jìn)。

02  合成(chéng)生物學(xué)在噬菌體中的應用
2.1
提高噬菌體效率
經(jīng)過(guò)基因編輯後(hòu)表達生物膜基質降解酶的噬菌體比非工程化的噬菌體更容易穿透和降解生物膜。細菌計數結果顯示，表達分散素B (DspB) 的T7噬菌體清除實驗性大腸杆菌生物膜的效果比不表達DspB的對(duì)照好(hǎo)大約三倍。解澱粉歐文氏菌(Erwinia amylovora)是一種(zhǒng)常見的植物病原體，但很少有噬菌體能(néng)有效治療或保護受感染的作物，因爲歐文氏菌會(huì)産生一種(zhǒng)可作爲噬菌體屏障的膠囊。將(jiāng)歐文氏菌噬菌體L1 (dpoL1-C)的莢膜解聚酶基因克隆到不相關的噬菌體Y2的基因組中，産生比Y2更大、更清晰的噬菌斑。盡管爆發(fā)量較低，但與野生型相比，工程化噬菌體在感染24小時(shí)後(hòu)導緻細菌下降約3個數量級，能(néng)更好(hǎo)的殺死歐文氏菌。這(zhè)些結果與實驗花感染結果相匹配，并說(shuō)明了表達解聚酶的工程噬菌體如何幫助噬菌體更好(hǎo)地發(fā)揮作用。這(zhè)兩(liǎng)個工程噬菌體編碼水解酶或解聚酶基因的例子表明，合成(chéng)生物學(xué)可用于極大地改進(jìn)天然噬菌體。
2.2
改變噬菌體宿主範圍
爲克服噬菌體的宿主特異性，在臨床使用噬菌體時(shí)，通常采用雞尾酒的方法以達到足夠的臨床覆蓋率。但随著(zhe)病原體種(zhǒng)群在感染過(guò)程中不斷演變，雞尾酒噬菌體需要定期更新，這(zhè)會(huì)帶來重大的實踐和監管挑戰，擴大噬菌體宿主範圍可以在已經(jīng)被批準爲安全有效的噬菌體支架中進(jìn)行改造。爲實現這(zhè)一目标，Ando等人構建了宿主範圍改變的T7樣噬菌體的合成(chéng)突變體。在T7樣噬菌體中，宿主範圍主要由基因17編碼的尾部附屬物決定。雖然將(jiāng)基因17與來自其他幾個相關噬菌體的類似基因交換産生可預測的宿主範圍改變，但克雷伯氏菌噬菌體 K11 和T7之間的雜合子需要替換T7的所有三個尾部基因（基因 11、12和17）以及來自K11的相應基因，這(zhè)對(duì)于傳統的等位基因交換技術將(jiāng)極具挑戰性。然而，這(zhè)種(zhǒng)方法需要在已知噬菌體之間交換尾部成(chéng)分，因此它本質上僅限于已對(duì)噬菌體進(jìn)行表征及測序的活性噬菌體。開(kāi)發(fā)用于調整噬菌體宿主範圍的高通量方法對(duì)噬菌體治療的未來極具價值。
2.3
將(jiāng)溫和性噬菌體改造爲裂解性噬菌體
由于溫和性噬菌體具有整合到宿主菌及帶有毒力基因等特性，通常不用作噬菌體治療，但有些細菌很難從環境中分離到裂解性噬菌體，因此對(duì)此類菌使用噬菌體治療就(jiù)必須對(duì)噬菌體進(jìn)行改造。Kilcher等人使用李斯特菌噬菌體P335作爲支架，構建了一種(zhǒng)缺乏主要阻遏物的劇毒突變體，并通過(guò)使其表達第二種(zhǒng)内溶素進(jìn)一步提高了噬菌體的裂解活性。由此産生的噬菌體不會(huì)使李斯特菌溶原化，有效地殺死李斯特菌，并且能(néng)夠減少耐藥性的發(fā)展。
2.4
改造裂解酶殺菌
Briers等人開(kāi)發(fā)了稱爲Artilysins的合成(chéng)噬菌體溶素，它包含滲透革蘭氏陰性細菌外膜的肽，并且能(néng)夠獨立于任何主動轉運進(jìn)行攝取。他們的設計基于融合到選定噬菌體内溶素C端的脂多糖去穩定肽。這(zhè)些Artilysins中效果最好(hǎo)的對(duì)銅綠假單胞菌、鮑曼不動杆菌、大腸杆菌和鼠傷寒沙門氏菌均具有殺菌作用，導緻細菌數量下降4到5個數量級，并且使靜止期的鮑曼不動杆菌下降了8個數量級。
小結
全球細菌對(duì)抗生素耐藥性的升級迫使研究者們亟需開(kāi)發(fā)對(duì)抗耐藥菌的新型抗菌劑。噬菌體療法是一種(zhǒng)有前途但具有挑戰性的新型抗菌方法，比如，需要解決諸如窄宿主、細菌對(duì)噬菌體的抗性、制造成(chéng)本以及劑量分配/遞送方法等限制。合成(chéng)基因組組裝和病毒基因組工程的最新進(jìn)展可用于創建具有卓越治療性能(néng)的噬菌體，合成(chéng)噬菌體可能(néng)會(huì)啓用新的知識産權并吸引大型制藥公司的興趣。此外，這(zhè)些技術還(hái)可以應用于編輯新型治療診斷納米載體，具有改善的組織穿透性和有效載荷攜帶潛力，用于治療癌症和其他疾病。