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Applications of synthetic biology in medical and pharmaceutical fields. ​

文献信息 ​

DOI10.1038/s41392-023-01440-5
PMID37169742
期刊Signal transduction and targeted therapy
影响因子52.7
JCR 分区Q1
发表年份2023
被引次数35
关键词合成生物学, 医疗应用, 药物生产, 基因电路, 代谢工程
文献类型Journal Article, Review, Research Support, Non-U.S. Gov't
ISSN2059-3635
页码199
期号8(1)
作者Xu Yan, Xu Liu, Cuihuan Zhao, Guo-Qiang Chen

一句话小结 ​

合成生物学通过设计和组装生物部件，推动了医学和药物开发的进步，如高效生产医药制剂、增强天然产物产量和构建靶向肿瘤的遗传电路。该研究综述了合成生物学的历史、在微生物药物生产中的应用以及新策略在治疗复杂疾病中的潜力，为未来医疗研究提供了新的方向。

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合成生物学 · 医疗应用 · 药物生产 · 基因电路 · 代谢工程

摘要 ​

合成生物学旨在设计或组装现有的生物部件或生物成分，以获得有用的生物特性。在过去几十年中，已取得了一些进展，包括构建精细的生物电路、标准化的生物构建模块，以及开发各种基因组/代谢工程工具和方法。医疗和药品需求也推动了合成生物学的发展，包括将外源途径整合到设计细胞中，以高效生产医药制剂；在细胞生长培养基中增强天然产物的产量，使其等于或高于植物或真菌提取物的产量；构建新型遗传电路以靶向肿瘤；根据特定生物标志物可控释放治疗剂，以对抗糖尿病、癌症等疾病。此外，还开发了新的策略来治疗通过传统方法难以治愈的复杂免疫疾病、传染病和代谢障碍。总体而言，合成生物学为医学和药物研究带来了新的能力。本综述总结了合成生物学的发展历程、合成生物学在微生物药物生产中的过去和现在、装备有合成DNA电路的工程细胞用于诊断和治疗、用于医疗治疗的活体和自组装的生物材料、在医学和药物领域的无细胞合成生物学，以及具有生物医学应用潜力的DNA工程方法。

英文摘要 ​

Synthetic biology aims to design or assemble existing bioparts or bio-components for useful bioproperties. During the past decades, progresses have been made to build delicate biocircuits, standardized biological building blocks and to develop various genomic/metabolic engineering tools and approaches. Medical and pharmaceutical demands have also pushed the development of synthetic biology, including integration of heterologous pathways into designer cells to efficiently produce medical agents, enhanced yields of natural products in cell growth media to equal or higher than that of the extracts from plants or fungi, constructions of novel genetic circuits for tumor targeting, controllable releases of therapeutic agents in response to specific biomarkers to fight diseases such as diabetes and cancers. Besides, new strategies are developed to treat complex immune diseases, infectious diseases and metabolic disorders that are hard to cure via traditional approaches. In general, synthetic biology brings new capabilities to medical and pharmaceutical researches. This review summarizes the timeline of synthetic biology developments, the past and present of synthetic biology for microbial productions of pharmaceutics, engineered cells equipped with synthetic DNA circuits for diagnosis and therapies, live and auto-assemblied biomaterials for medical treatments, cell-free synthetic biology in medical and pharmaceutical fields, and DNA engineering approaches with potentials for biomedical applications.

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主要研究问题 ​

  1. 合成生物学如何改变我们对癌症治疗的理解和方法？
  2. 在合成生物学的帮助下，如何提高天然药物的产量和有效性？
  3. 有哪些具体的案例展示了合成生物学在治疗复杂免疫疾病中的应用？
  4. 合成生物学在开发针对特定生物标志物的药物释放系统方面的前景如何？
  5. 如何评估合成生物学技术在药物研发过程中的安全性和有效性？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

合成生物学旨在设计或组装现有的生物部件或生物组件，以实现有用的生物特性。近年来，合成生物学在医疗和制药领域的应用得到了显著发展，特别是在开发针对复杂疾病（如癌症和糖尿病）的新疗法方面。本文综述了合成生物学在医疗和制药领域的最新进展，涵盖了微生物生产药物、工程细胞用于诊断和治疗、活体材料、无细胞合成生物学等。

主要方法/材料/实验设计 ​

本研究采用的主要方法包括：

  1. 基因工程：利用合成生物学工具设计和构建新的基因回路，增强细胞功能。
  2. 细胞治疗：如CAR-T细胞疗法，利用基因工程技术改造T细胞以识别并攻击癌细胞。
  3. 合成生物材料：开发新型生物材料用于医疗治疗，利用自组装和细胞外基质特性。
  4. 无细胞合成系统：用于高通量筛选和药物生产。

以下是技术路线的流程图：

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关键结果和发现 ​

  • 合成生物学的应用：合成生物学已成功用于开发新的治疗策略，如利用工程细胞针对肿瘤的精确治疗、开发新的疫苗和药物。
  • CAR-T细胞疗法：通过基因工程改造T细胞，使其能够识别特定抗原，显示出在治疗急性淋巴细胞白血病和大B细胞淋巴瘤方面的潜力。
  • 无细胞系统的优势：无细胞合成系统提供了灵活性和可控性，能够高效生产复杂的生物制剂，如抗体和疫苗。
  • 新型生物材料的开发：通过模仿自然界中的生物粘附特性，开发出新型生物粘合剂材料，用于组织修复。

主要结论/意义/创新性 ​

合成生物学在医疗和制药领域的应用展示了其在治疗复杂疾病方面的巨大潜力。通过重新设计细胞功能和开发新型生物材料，合成生物学能够提供更安全、高效的治疗选择。未来的研究应集中在提升这些技术的安全性和有效性上，以便更好地转化为临床应用。

研究局限性和未来方向 ​

尽管合成生物学的进展显著，但仍面临一些挑战：

  • 安全性问题：工程细胞和材料在临床应用中的安全性仍需进一步验证。
  • 复杂性：人类代谢过程的复杂性限制了合成生物学在哺乳动物系统中的应用。
  • 伦理和法律问题：合成生物学的应用面临伦理和法律挑战，需加强公众沟通和政策制定。

未来的研究方向应包括：

  • 进一步探索合成生物学在哺乳动物中的应用。
  • 开发个性化医疗解决方案，利用合成生物学技术提高治疗的针对性和有效性。
  • 结合人工智能技术，加速合成生物学的进步和应用。

参考文献 ​

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引用本文的文献 ​

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  4. The whack-a-mole governance challenge for AI-enabled synthetic biology: literature review and emerging frameworks. - Trond Arne Undheim - Frontiers in bioengineering and biotechnology (2024)
  5. BioCloneBot: A versatile, low-cost, and open-source automated liquid handler. - Ke'Koa Cdh Wells;Nawwaf Kharma;Brandon B Jaunky;Kaiyu Nie;Gabriel Aguiar-Tawil;Daniel Berry - HardwareX (2024)
  6. Cell-Free Synthesis: Expediting Biomanufacturing of Chemical and Biological Molecules. - So-Jeong Lee;Dong-Myung Kim - Molecules (Basel, Switzerland) (2024)
  7. Molecular Engineering of Functional SiRNA Agents. - Neelu Batra;Mei-Juan Tu;Ai-Ming Yu - ACS synthetic biology (2024)
  8. Physiochemically and Genetically Engineered Bacteria: Instructive Design Principles and Diverse Applications. - Xia Lin;Rong Jiao;Haowen Cui;Xuebing Yan;Kun Zhang - Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) (2024)
  9. Disentangling the Web: An Interdisciplinary Review on the Potential and Feasibility of Spider Silk Bioproduction. - Ghita Guessous;Lauren Blake;Anthony Bui;Yelim Woo;Gabriel Manzanarez - ACS biomaterials science & engineering (2024)
  10. Engineering signalling pathways in mammalian cells. - Anna V Leopold;Vladislav V Verkhusha - Nature biomedical engineering (2024)

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