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Realizing the potential of synthetic biology.
文献信息
| DOI | 10.1038/nrm3767 |
|---|---|
| PMID | 24622617 |
| 期刊 | Nature reviews. Molecular cell biology |
| 影响因子 | 90.2 |
| JCR 分区 | Q1 |
| 发表年份 | 2014 |
| 被引次数 | 72 |
| 关键词 | 合成生物学, 生物技术, 分子研究, 生物伦理 |
| 文献类型 | Research Support, N.I.H., Extramural, Research Support, Non-U.S. Gov't, Research Support, U.S. Gov't, Non-P.H.S., Review, Journal Article |
| ISSN | 1471-0072 |
| 页码 | 289-94 |
| 期号 | 15(4) |
| 作者 | George M Church, Michael B Elowitz, Christina D Smolke, Christopher A Voigt, Ron Weiss |
一句话小结
合成生物学在临床应用和生物技术产业中展现出巨大的潜力，尽管尚处于初期发展阶段。五位专家探讨了该领域的主要成就、未来发展及其面临的生物伦理问题，强调其在基础科学和应用科学中的重要贡献。
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摘要
合成生物学尽管仍处于起步阶段，但越来越多地为临床应用、生物技术产业以及基础分子研究提供了宝贵的信息。其独特的潜力和所面临的挑战吸引了来自细胞生物学家到工程师的多元化科学家团队的专业知识。在这篇观点文章中，五位专家讨论了他们对合成生物学未来的看法，主要成就及其在基础和应用科学中的贡献，以及与新生物系统设计相关的生物伦理问题。
英文摘要
Synthetic biology, despite still being in its infancy, is increasingly providing valuable information for applications in the clinic, the biotechnology industry and in basic molecular research. Both its unique potential and the challenges it presents have brought together the expertise of an eclectic group of scientists, from cell biologists to engineers. In this Viewpoint article, five experts discuss their views on the future of synthetic biology, on its main achievements in basic and applied science, and on the bioethical issues that are associated with the design of new biological systems.
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主要研究问题
- 合成生物学在临床应用中有哪些具体的成功案例？
- 当前合成生物学面临的主要技术挑战是什么？
- 合成生物学如何促进生物技术产业的发展？
- 在合成生物学的研究中，生物伦理问题是如何被考虑和解决的？
- 合成生物学的未来发展方向和潜在应用领域有哪些？
核心洞察
研究背景和目的
合成生物学是一个快速发展的领域，旨在通过工程化的方式设计和构建新的生物系统。尽管该领域仍处于初期阶段，但它在临床、工业生物技术和基础分子研究中展现出巨大的潜力。本文由五位专家撰写，探讨了合成生物学的未来、主要成就以及与之相关的生物伦理问题。
主要方法/材料/实验设计
合成生物学结合了细胞生物学、工程学和计算建模等多学科的知识，采用前向工程的方式设计合成系统。以下是技术路线的流程图展示：
关键结果和发现
- 合成生物学从简单的基因电路设计发展到复杂的多细胞系统，涵盖了多种生物体，如酵母、哺乳动物细胞和植物。
- 通过快速的基因合成和模块化DNA组装方法，研究者能够以更高效的方式构建和优化生物系统。
- 目前，合成生物学在基础研究中的主要成就包括构建可组合部件的注册库和CRISPR技术的应用。
主要结论/意义/创新性
合成生物学代表了一种新的生物工程思维方式，它不仅在基础科学研究中推动了新的工具和方法的发展，还为临床应用和生物技术的生产带来了前所未有的机会。未来，合成生物学有望在个性化医疗、疫苗开发和组织工程等领域发挥重要作用。
研究局限性和未来方向
- 尽管合成生物学在技术上取得了显著进展，但在将这些技术应用于哺乳动物和复杂环境中仍面临挑战。
- 当前的设计和构建过程依然缓慢，限制了创新的多样性和效率。
- 未来的研究方向包括开发安全有效的RNA递送方法、优化基因电路的设计，以及探索合成生物学在治疗复杂疾病中的应用。
| 研究领域 | 主要成就 | 面临挑战 |
|---|---|---|
| 基础研究 | 建立可组合部件库、CRISPR技术应用 | 在复杂生物系统中应用合成电路 |
| 临床应用 | 开发个性化医疗和疫苗 | 安全递送合成电路至哺乳动物体内 |
| 工业生物技术 | 高效生物生产药物和化学品 | 设计和构建过程缓慢，限制创新多样性 |
通过这些努力，合成生物学有望为人类健康和环境可持续发展提供重要的解决方案。
参考文献
- Gene synthesis demystified. - Michael J Czar;J Christopher Anderson;Joel S Bader;Jean Peccoud - Trends in biotechnology (2009)
- A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. - M B Elowitz;S Leibler - Nature (2000)
- antiSMASH: rapid identification, annotation and analysis of secondary metabolite biosynthesis gene clusters in bacterial and fungal genome sequences. - Marnix H Medema;Kai Blin;Peter Cimermancic;Victor de Jager;Piotr Zakrzewski;Michael A Fischbach;Tilmann Weber;Eriko Takano;Rainer Breitling - Nucleic acids research (2011)
- Genomic mining of prokaryotic repressors for orthogonal logic gates. - Brynne C Stanton;Alec A K Nielsen;Alvin Tamsir;Kevin Clancy;Todd Peterson;Christopher A Voigt - Nature chemical biology (2014)
- Foundations for engineering biology. - Drew Endy - Nature (2005)
- High-throughput enzyme evolution in Saccharomyces cerevisiae using a synthetic RNA switch. - Joshua K Michener;Christina D Smolke - Metabolic engineering (2012)
- Design of orthogonal genetic switches based on a crosstalk map of σs, anti-σs, and promoters. - Virgil A Rhodius;Thomas H Segall-Shapiro;Brian D Sharon;Amar Ghodasara;Ekaterina Orlova;Hannah Tabakh;David H Burkhardt;Kevin Clancy;Todd C Peterson;Carol A Gross;Christopher A Voigt - Molecular systems biology (2013)
- Programming cells by multiplex genome engineering and accelerated evolution. - Harris H Wang;Farren J Isaacs;Peter A Carr;Zachary Z Sun;George Xu;Craig R Forest;George M Church - Nature (2009)
- Synthetic biology moving into the clinic. - Warren C Ruder;Ting Lu;James J Collins - Science (New York, N.Y.) (2011)
- Higher-order cellular information processing with synthetic RNA devices. - Maung Nyan Win;Christina D Smolke - Science (New York, N.Y.) (2008)
引用本文的文献
- A designer cell-based histamine-specific human allergy profiler. - David Ausländer;Benjamin Eggerschwiler;Christian Kemmer;Barbara Geering;Simon Ausländer;Martin Fussenegger - Nature communications (2014)
- Advances and computational tools towards predictable design in biological engineering. - Lorenzo Pasotti;Susanna Zucca - Computational and mathematical methods in medicine (2014)
- Cofactor engineering for enhancing the flux of metabolic pathways. - M Kalim Akhtar;Patrik R Jones - Frontiers in bioengineering and biotechnology (2014)
- Exopolysaccharides produced by marine bacteria and their applications as glycosaminoglycan-like molecules. - Christine Delbarre-Ladrat;Corinne Sinquin;Lou Lebellenger;Agata Zykwinska;Sylvia Colliec-Jouault - Frontiers in chemistry (2014)
- Systems and synthetic biology approaches to alter plant cell walls and reduce biomass recalcitrance. - Udaya C Kalluri;Hengfu Yin;Xiaohan Yang;Brian H Davison - Plant biotechnology journal (2014)
- Synthetic biology for the directed evolution of protein biocatalysts: navigating sequence space intelligently. - Andrew Currin;Neil Swainston;Philip J Day;Douglas B Kell - Chemical Society reviews (2015)
- Designer cell signal processing circuits for biotechnology. - Robert W Bradley;Baojun Wang - New biotechnology (2015)
- Cosmetics-triggered percutaneous remote control of transgene expression in mice. - Hui Wang;Haifeng Ye;Mingqi Xie;Marie Daoud El-Baba;Martin Fussenegger - Nucleic acids research (2015)
- AQUA Cloning: A Versatile and Simple Enzyme-Free Cloning Approach. - Hannes M Beyer;Patrick Gonschorek;Sophia L Samodelov;Matthias Meier;Wilfried Weber;Matias D Zurbriggen - PloS one (2015)
- A gene network engineering platform for lactic acid bacteria. - Wentao Kong;Venkata S Kapuganti;Ting Lu - Nucleic acids research (2016)
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