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  • 摘要:

    在过去十年中,虽然癌症治疗的许多方面都有了显著改善,但诊断方法却落后了。目前的大多数诊断方法都是昂贵的、侵入性的,而且最重要的是,不能提供分子诊断。

    血液活检有可能以分子精度监测患者对治疗的反应,有可能比现有检测更早发现肿瘤复发。因此,血液活检可以帮助患者和医生确定是否需要改变治疗方法。

    郭士纳中心专注于反应监测,也就是跟踪病人在治疗中的表现,无论是化疗、放疗还是免疫疗法。它还侧重于研究患有微小残留疾病的患者,包括识别在接受治疗的患者体内残留的少量癌细胞,这些癌细胞可能会在数月、数年甚至数十年后复发。使用血液活检监测患者反应或微小残留疾病需要比现有更高的敏感性,这就是为什么新中心将重点放在这些特定领域。

    郭士纳中心由IBM公司前首席执行官兼董事会主席、Broad Institute现任董事会主席Louis V. Gerstner, Jr.建立,将与技术创新者、癌症生物学家、计算科学家和临床医生进行广泛合作。该中心还将试验其他有前途的癌症诊断新方法。

    布罗德研究所首席科学官、癌症项目主任托德·戈卢布是格斯特纳中心主任;布罗德癌症项目血液活检小组组长维克多·阿达斯坦森(Viktor Adalsteinsson)是副主任。

    来源机构: 哈佛-麻省理工学院Broad研究所 | 点击量:89
  • 摘要:

    一项发表在《自然医学》(Nature Medicine)杂志上的研究表明,几个研究中心的科学家与一个致力于研究一种罕见癌症的非营利组织结成的伙伴关系正开始结出果实。该研究结合了细胞系和动物模型中的遗传和小分子实验,揭示了一种潜在的分子治疗脊索瘤的方法,脊索瘤是脊柱、骶骨和颅底的肿瘤家族,其治疗方法间接干扰了这些肿瘤的遗传缺陷。

    每年,每百万人中就有一人患有脊索瘤。这些癌症被认为是由脊索遗留下来的细胞引起的,脊索是胚胎中充当新生脊柱的组织杆。脊索瘤患者通常接受手术和放疗,但肿瘤往往在治疗后复发。

    脊索瘤和脊索细胞有一个共同的特点:转录因子brachyury的高表达。短索细胞主要在胚胎细胞中活跃,这表明脊索瘤可能是由于该因子在成年细胞中持续存在或在其应该保持沉默时重新激活而形成的。

    然而,由于缺乏对脊索瘤遗传学的系统知识,科学家们不能确定近节棘突龙在生物学上的真正重要性。我们需要的是一份完整的脊索瘤基因依赖性的清单——肿瘤生存所需的基因,这些基因代表了能够提供对癌症生物学和易于控制的治疗靶点更深入了解的弱点。

    填补这一空白的是布罗德研究所(Broad Institute)、贝勒医学院(Baylor College of Medicine)、达纳-法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)、马萨诸塞州总医院(Massachusetts General Hospital)和脊索瘤基金会(Chordoma Foundation)之间关系的核心。脊索瘤基金会是一家非营利组织,致力于加速脊索瘤新疗法的开发。2015年,该基金会与该研究的通讯作者——布罗德核心研究所成员斯图尔特·施赖伯、布罗德研究科学家塔纳兹·沙里夫尼亚、贝勒的查尔斯·林、布罗德校友乔安妮·科茨(现就职于Jnana Therapeutics)——以及他们的合作者合作,系统地探索脊索瘤的生物学,揭示新的治疗可能性。

    Sharifnia在Schreiber实验室和布罗德的化学生物学和治疗科学项目工作,他说:“这项工作需要跨领域的专业知识:遗传学、化学、表观遗传学和脊索瘤生物学。”“我们很幸运地在这些领域都有合作伙伴,共同为这项研究做出贡献。”

    探测的缺点

    研究小组从一系列基因组级别的基于crispr的敲除筛选开始,测试敲除18500多个基因是如何单独影响两个脊索瘤细胞系的。有趣的是,数据显示脊索瘤的最高遗传依赖是T:编码短链的基因。

    同时,研究小组在脊索瘤细胞中筛选了近460种小分子化合物,寻找关于肿瘤生物学的更多线索。在他们的研究中,一些最有效的化合物干扰了一组转录周期蛋白依赖性激酶(CDKs)——一种帮助调控基因转录的酶——称为CDK7, CDK9,CDK12,CDK13。支持这些发现的是,其中三种酶的基因在脊索瘤的基因依赖性列表中也很高。

    四种突出的CDK酶在调节基因活性方面发挥着积极作用,并倾向于聚集在超增强子上和周围:大型、密集的非编码基因调控DNA簇,影响基因表达的整个程序。当研究小组绘制脊索瘤的调控基因组图谱时,他们确实发现了一种与短臂鱼自身基因T重叠的超级增强子。

    Sharifnia说:“发现与t相关的超级增强因子是令人兴奋的,因为它揭示了脊索瘤细胞如何调节近端生长的潜在机制。”“这也让我们知道了如何将近端棘作为治疗目标。”

    走间接路线

    像brachyury这样的转录因子是非常难以直接对抗的。然而,脊索瘤对短链细胞和转录CDK酶的依赖,以及它们围绕这一关键的超级增强子的聚合,提出了一个诱人的问题:转录CDK靶向药物(其中一些已经在临床试验中)能否通过阻止细胞产生短链细胞来治疗脊索瘤?

    细胞系和动物模型试验表明,通过一种名为THZ1的化合物(它阻断CDKs 7、12和13),脊索瘤小鼠的肿瘤明显缩小,答案是肯定的。这些发现,如果在其他研究中得到证实,表明THZ1或类似的药物可能是治疗脊索瘤患者的有价值的选择。

    “我们的研究为脊索瘤的生物学和弱点提供了第一个全面的观点,”Schreiber说。“这些发现,再加上化学生物学的进步,提供了探针化合物,我们认为这可能是治疗脊索瘤的有力一步,可以造福于患者,尤其是那些处于晚期疾病的患者。”

    患者带路

    Sharifnia指出脊索瘤患者在研究的各个阶段的深度和热情参与是团队成功的关键因素。

    “这项研究是可能的,因为脊索瘤患者和他们的家人不仅支持这项工作,而且在我们所采取的科学方向上也有发言权,我们都希望这个方向能够导致快速的临床转化,”她解释说。“他们参加了我们的科学会议,并和我们一起在野外度过了一段时间。他们的参与告诉我们,在研究一种罕见的癌症时,科学家和患者是很好的盟友。

    脊索瘤患者、脊索瘤基金会(chordoma Foundation)主任、《自然医学》(Nature Medicine)杂志论文的作者乔希·索莫(Josh Sommer)说,“这些结果不仅有力地证实了短臂畸形是脊索瘤的致命弱点,而且揭示了一种有希望的方法,可以用临床已有的药物来治疗它。”“这是一个让人充满希望的真正原因,也是每个为这个项目做出贡献的人的胜利。”

    脊索瘤基金会、国家癌症研究所、英国癌症研究所和其他机构为这项研究提供了支持。Stuart Schreiber是霍华德休斯医学研究所的研究员。

    来源机构: 哈佛-麻省理工学院Broad研究所 | 点击量:62
  • 摘要:

    IBM沃森健康公司(IBM Watson Health)、麻省理工学院(MIT)和哈佛大学布罗德研究所(Broad Institute of Harvard)正在发起一项研究合作,旨在开发强大的预测模型,使临床医生能够识别心血管疾病的严重风险患者。这个为期三年的项目将纳入基于人口和医院的生物样本库数据、基因组信息和电子健康记录,以建立和扩大多基因评分的预测能力。该项目还计划让研究团体广泛获得见解和工具,包括根据基因组中的数百万个变异计算个人罹患常见疾病风险的方法。

    马萨诸塞州总医院(MGH)基因组医学中心(Center for genome Medicine)主任、布罗德研究所(Broad institute)心血管疾病项目成员兼主任塞卡尔·卡瑟雷森(Sekar Kathiresan)说:“我很高兴能在利用大量基因组数据进行多基因风险评分方面取得的进展的基础上再上一层。”“通过将临床数据与基因组数据结合起来,就有了一个绝佳的机会,可以让多基因风险评分更加稳健有力,并最终为患者的护理带来变革。”如果没有这种伙伴关系,这种转变是不可能发生的。

    Kathiresan将与布罗德研究所(Broad Institute)首席数据官安东尼•菲利帕基斯(Anthony Philippakis)共同指导这项新举措。菲利帕基斯曾在布莱根妇女医院(Brigham and Women’s Hospital)接受心脏病专家培训。

    IBM Watson health高级副总裁约翰•凯利(John Kelly)表示:“我们正与布罗德研究所(Broad Institute)的医学家直接合作,研究人工智能如何帮助解开有关人类健康的未被发现的线索。”“我们在应用人工智能方面积累了深厚的专业知识,以理解基因组学和健康记录等海量数据的复杂性和意义。”我们最新的合作将把这些能力与临床洞察力结合起来,完善技术如何为临床医生在研究和治疗心血管疾病等严重疾病时提供可解释和有价值的见解。

    近年来,Broad研究所的科学家们,MGH,和哈佛医学院拥有先进的一种新的基因组分析,称为多基因风险评分,可以识别人的子集的风险明显高于发展中严重的常见疾病,包括冠心病、房颤或乳腺癌。

    这些测试利用来自人类基因组中超过600万个变异位点的信息来确定患病风险,可以在症状出现之前就标记出更大的可能性发展成严重的疾病。研究表明,在美国,多达2500万人患冠状动脉疾病的风险可能是正常水平的三倍以上,而仅根据基因变异,还有数百万人患其他疾病的风险可能与此类似。这样的基因组信息可以让医生找到这些人,并进行干预以预防疾病。

    但是在这项研究被纳入临床护理之前还需要做更多的工作,这就是这个新的三年合作关系的作用。

    IBM和Broad Institute将通过结合患者的医疗记录和生物标志物,建立基于基因组信息的心脏病风险人工智能模型,扩大多基因评分的影响力。该项目还将纳入医生和护理人员的直接反馈,所有这些反馈的最终目标都是将这种权力融入医疗系统。

    “有了这种新的伙伴关系,我们有机会开发了解和预测疾病的新方法,”布罗德研究所所长兼创始所长埃里克·s·兰德(Eric S. Lander)说。“我希望这将有助于推进精准医疗的发展。”

    来源机构: 哈佛-麻省理工学院Broad研究所 | 点击量:63
  • 摘要:

    2015年至2016年寨卡病毒(Zika)爆发期间,公共卫生官员争相控制疫情,遏制该病原体对孕妇的破坏性影响。与此同时,世界各地的科学家试图了解这种神秘病毒的基因。

    问题是,病人血液中寨卡病毒颗粒并不多。在临床样本中寻找它就像在海洋中捕捉小鱼一样困难。

    由布罗德研究所的科学家开发的一种新的计算方法有助于克服这一障碍。布罗德研究所(Broad Institute)研究人员帕迪斯·萨贝蒂(Pardis Sabeti)的实验室建立了这种“捕捉”方法,可用于设计任何已知感染人类的病毒及其所有已知毒株的分子“诱饵”,包括临床样本中含量较低的病毒,如寨卡病毒。这种方法可以帮助全球范围内的小型测序中心更有效、更经济地开展疾病监测,为控制疫情提供关键信息。

    这项新研究由麻省理工学院研究生海登·梅茨基和博士后凯蒂·西德尔领导,研究结果发表在《自然生物技术》的网站上。

    “基因组测序成为疾病监测的关键部分,捕捉等工具将帮助我们和其他人发现疫情,病原体产生更多的数据可以共享与更广泛的科学和医学研究社区,“基督教Matranga说,这项新研究的文章的第二作者加入了当地的生物技术公司。

    科学家们已经能够通过分析临床样本中的所有遗传物质来检测出一些低丰度的病毒,这种技术被称为“宏基因组测序”(metagenomic sequencing),但这种方法往往会遗漏在大量其他微生物和患者自身DNA中丢失的病毒物质。

    另一种方法是“丰富”针对特定病毒的临床样本。为此,研究人员使用一种遗传“诱饵”固定目标病毒的遗传物质,这样其他遗传物质就可以被冲走。萨比提实验室的科学家们成功地使用了诱饵来分析埃博拉和拉沙病毒的基因组。诱饵是一种分子探针,由短链RNA或DNA与样本中的病毒DNA片段配对而成。然而,这些探针总是针对一种微生物,这意味着它们必须确切地知道自己在寻找什么,而且它们的设计并不严谨、高效。

    他们需要的是一种设计探针的计算方法,这种方法能够提供临床样本中各种微生物含量的全面视图,同时也能对寨卡病毒等低丰度微生物进行富集。

    “我们想重新思考我们实际上是如何设计探测器来进行捕获的,”Metsky说。“我们意识到,我们可以用比以前更少的探针来捕获病毒,包括它们已知的多样性。”为了使其成为一种有效的监测工具,我们决定尝试一次锁定20种病毒,最终我们将已知的356种感染人类的病毒数量扩大到356种。

    CATCH是“用于综合杂交的目标的紧密聚合”的缩写,它允许用户设计定制的探针集来捕获任何微生物物种组合的遗传物质,包括病毒,甚至是已知感染人类的所有病毒的所有形式。

    要真正全面地运行CATCH,用户可以很容易地输入已上传到国家生物技术信息中心GenBank序列数据库的各种形式的所有人类病毒的基因组。该程序根据用户想要恢复的信息来确定最佳探测集,无论这些信息是病毒还是一个子集。探针序列列表可以发送到少数几个合成探针进行研究的公司之一。科学家和临床研究人员希望检测和研究这些微生物,然后可以使用像鱼钩一样的探针来捕获所需的微生物DNA进行测序,从而为感兴趣的微生物富集样本。

    用CATCH设计的探针组测试显示,富集后,病毒含量占测序数据的比例是富集前的18倍,这使得该团队能够组装无法从未富集样本中生成的基因组。他们检测了包含8种病毒的30个已知样本,验证了该方法的有效性。研究人员还表示,2018年尼日利亚拉沙病毒(Lassa)爆发时,如果不进行富集,很难对拉沙病毒样本进行测序,而使用一套由catch设计的针对所有人类病毒的探针,可以“拯救”这些样本。此外,该小组还能够改进对来自患者和蚊子的未知含量样本的病毒检测。

    利用CATCH, Metsky和他的同事们生成了针对寨卡病毒和基孔肯雅病毒的病毒探针子集,基孔肯雅病毒是在同一地理区域发现的另一种蚊媒病毒。除了用其他方法生成的寨卡病毒基因组外,他们使用由catch设计的探针生成的数据,帮助他们发现,在科学家能够检测到寨卡病毒之前,该病毒已经在几个地区传播了数月,这一发现可以为控制未来疫情的努力提供信息。

    为了演示CATCH的其他潜在应用,Siddle使用了一系列不同病毒的样本。Siddle和其他人一直在与西非的科学家合作,建立实验室和工作流程,以便现场分析病原体基因组。西非的病毒爆发和难以诊断的发烧很常见。Siddle说:“我们希望我们在尼日利亚的合作伙伴能够有效地从不同的样本中进行宏基因组测序,而CATCH帮助他们提高对这些病原体的敏感性。”

    这种方法也是一种强大的方法来调查未确诊的发烧与疑似病毒的原因。Siddle说:“我们对使用宏基因组测序来阐明这些病例的潜力感到兴奋,特别是在受影响国家的地方这样做的可能性。”

    CATCH方法的一个优点是它的适应性。随着新的突变被识别,新的序列被添加到GenBank,用户可以快速地重新设计一组具有最新信息的探针。此外,虽然大多数探头的设计都是专有的,但Metsky和Siddle已经公开了他们用CATCH设计的所有探头。用户可以在CATCH中访问实际的探针序列,允许研究人员在合成探针之前探索和定制探针设计。

    Sabeti和其他研究人员对渔获物改善大规模高分辨率微生物群落研究的潜力感到兴奋。他们还希望这种方法有朝一日能在诊断应用中发挥效用,将结果返回给患者,让他们做出临床决定。就目前而言,该技术在改善寨卡病毒和拉沙病毒等病毒暴发的基因组监测,以及其他需要全面了解低水平微生物含量的应用方面的潜力,令他们感到鼓舞。

    CATCH软件可以在GitHub上公开访问。在Sabeti和Matranga的监督下,它的开发和验证在《自然生物技术》的网站上进行了描述。

    来源机构: 哈佛-麻省理工学院Broad研究所 | 点击量:63
  • 摘要:

    麻省理工学院布罗德研究所(Broad Institute)和麻省总医院(Massachusetts General Hospital)的科学家领导的一个团队开发了一种原型设备,利用微流体技术对从临床样本中提取的细胞类型进行分类,以进行RNA测序。

    “这个平台允许我们在样本中分离特定的细胞亚群,因此我们可以进行RNA测序,并解决不同细胞类型的生物学问题,”第一作者Miguel Reyes解释道。“我们已经把这条复杂的管线浓缩成一个更容易使用的设备,有可能扩大规模,用于需要大量人群参与的研究——这是许多分析工具一直在努力解决的问题。”

    领导的研究成果发表在科学进步,雷耶斯和高级作者保罗•Blainey核心成员广泛研究所和生物工程系副教授在麻省理工学院,和Nir Hacohen研究所成员广泛,中心主任癌症免疫疗法在马萨诸塞州综合医院和哈佛医学院的副教授。

    这个团队开发了他们的平台来帮助研究人员以更高的分辨率分析细胞。对于血液和其他类型的临床样本,批量RNA测序是一种标准分析方法。然而,使用这种方法混合不同的细胞提供有限的信息,具体的细胞类型。

    这个新平台有可能填补血液样本的批量RNA测序和高分辨率单细胞RNA测序之间的空白,这一过程对于大量样本来说仍然难以扩大规模。

    研究人员表示,通过将细胞分类过程集成到单个设备中,该平台不再需要获取、编程和监控复杂的液体处理机器人,也不再需要将多个仪器集成到工作流程中。该团队将他们的系统与通常手工实现的用于细胞子集净化和RNA-seq库构建的标准方法进行了基准测试,发现在资源效率更高的情况下,该方法的性能同样好或更好。

    作为试点分析,研究人员还对5名系统性红斑狼疮患者和布里格姆妇女医院的5名健康对照组的免疫细胞进行了排序。他们利用该平台分离了CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、B细胞和CD14+细胞,确定了经典狼疮基因表达特征主要在B细胞中表达。

    Hacohen说:“有数百万的血液样本仅仅是全血的形式,没有任何细胞的分离。只有这样的数据,很难对不同的细胞类型提出问题。”“该领域需要一种成本效益高的方法,将全血样本转化为能够独立分析的细胞子集。”

    该团队设想了一种管道,其中单细胞分析可以作为一种无偏发现工具,首先用于首批样本。Blainey说:“一个团队可以使用这样的平台来分离他们想要研究的类型——在一个可扩展的水平上,潜在地在单细胞还不可行的大群体中。”“我们已经证明,这类工作的小型化和流程集成是可能的。”

    这项研究的部分资金由国家过敏和传染病研究所(U24 AI118668)和Burroughs Wellcome基金提供。

    来源机构: 哈佛-麻省理工学院Broad研究所 | 点击量:71
  • 摘要:

    它是由英国国防部开发的一种功能和故障安全的军事人员的衣服。它是由丹尼尔·克雷格(Daniel Craig)推动成为明星的(对不起,伙计们,这不是肖恩·康纳利(Sean Connery)饰演的詹姆斯·邦德(James Bond))。一件功能性的服装变成了时尚宣言,它出现在手表上的价格从40美元到几千美元不等。但现在它正在进入一个新时代,在比空气还轻、比钢铁还结实的合成蛛丝上,它被推向了一个全新的高度。

    在一个不太可能的瑞士豪华手表巨头之间的协作ω合成生物学和德国公司AMSilk——有史以来第一家公司生产合成丝聚合物工业规模——未来的织物是商用给消费者第一次的形式简单,功能,和时尚的北约表带。

    这是第一次

    虽然北约(NATO)表带的最初版本是由尼龙制成的,但欧米茄(OMEGA)的表带系列使用合成纤维已经有相当长一段时间了,这种纤维可以提供强度和耐磨性。然而,ω的北约表带家族的最新成员有一个全新的衣柜由于AMSilk Biosteel®纤维,这是基于蜘蛛丝。我们以前见过,正在进行的项目包括合并成新一代的轻型飞机和可生物降解的跑鞋,但这是第一次Biosteel®纤维已经进入奢侈品服装的商业部门。

    这一成就来之不易,是AMSilk工程师、欧米茄工程师和产品经理多年努力工作和合作的结果。乍一看,一个表带似乎是个奇怪的选择对于这样一个开创性商业产品发布,但Biosteel®纤维实际上是一个很自然的选择对于一个表带,AMSilk首席执行官延斯•克莱恩说。他解释说,“它需要由高度可靠的材料制成,能够在许多不同的条件下日常使用,”他补充说,“它展示了Biosteel最令人印象深刻的一些性能,包括强度、灵活性、轻量级结构和皮肤友好性。”

    Jens Klein是德国合成生物学公司AMSilk的负责人,AMSilk是世界上第一家合成丝绸聚合物的工业生产商。图片来源:AMSilk

    欧米茄的顾客现在可以买到一种重量轻、透气、低过敏性的表带,欧米茄的网站上可以买到:

    奢侈品牌基于生物材料的未来

    尽管AMSilk、欧米茄和手表发烧友对这次合作感到兴奋,但这仅仅是奢侈品牌利用生物材料的未来的开始。克莱因预计,未来几年,品牌将开始使用更多的生物材料,因为他们知道这些材料的性能与传统材料一样好,甚至更好。他预测,不久之后,我们将开始看到生物材料被整合到各种各样的产品中。

    他应该知道。AMSilk已经与多个行业的领先品牌合作,包括服装、化妆品、医疗保健和航空航天。他说:“我们很高兴能把我们的丝绸带给世界各地的消费者,并将在未来几个月宣布一些新的合作。”

    AMSilk

    AMSilk的Biosteel®纤维可能很快就被发现在一个范围广泛的产品,从豪华服装化妆品和医疗。图片来源:AMSilk。

    显然,生物制造行业正准备改变产品的制造方式——但这并非易事。“创造新材料是非常具有挑战性的,在你开始产品测试或开发之前需要多年的科学研发,”Kleins说。“要向全球品牌证明生物材料在制造和性能方面符合行业标准,还需要更多时间。”

    但未来就是现在,世界已经准备好了。AMSilk和OMEGA已经证明,生物材料已经准备好进入商业领域。表带仅仅是个开始:现在我们只能等着看这些生物纤维还能把我们带到什么地方。

    ——文章发布于2019年1月26日

    来源机构: 美国SynBioBeta公司 | 点击量:143
  • 摘要:

    生物学以惊人的效率产生了宇宙中最复杂的结构。但直到最近,生物学的创新引擎对大多数初创公司来说还是遥不可及的。设计新药或生化药品所需的大型研究团队和昂贵设备意味着,只有大市场中的大玩家才能参与竞争。“精益生物技术创业公司”是一个矛盾修饰法。但这种情况正在开始改变。synbio栈正在通过允许小型初创公司在生物技术巨头的土地上蓬勃发展来改变竞争格局。现在,即使是小的生物技术初创公司也有机会使用同样的设计和制造技术,这些技术曾为航空航天、计算机芯片和无数其他行业的创新提供动力。

    在20世纪60年代,航空航天工业成为第一个使用计算机辅助设计(CAD)来帮助设计复杂产品的行业。从那时起,最初的CAD软件已经发展成为一套集成的数字工具,包括计算机辅助设计、3D仿真/工程(CAE)、物理制造(CAM)以及资产和数据跟踪。这些工具允许设计师和工程师使用模拟数据在硅上快速迭代新产品设计。完成的设计然后转换成一组计算机指令,控制制造成品的硬件。

    集成数字工具带来了巨大的生产力收益,并迅速成为机械和电子工程的主要方法。通用软件供应商很快就出现了,制造商逐渐从内部解决方案过渡到使用这些通用平台。第三方供应商开发了新技术,每个供应商都解决了部分设计和制造问题。定义良好的行业标准有助于跨这些最佳技术构建互操作性。如今,没有一家制造企业的运营需要熟练掌握现代数字设计工具的员工。

    现在生物技术领域也出现了同样的情况,供应商开发出强大的组件,可以组装成技术栈。例如,一个药物研究小组可以从Synthego或Twist Bioscience购买合成RNA。它可以运行TeselaGen的CAD软件、Cyrus生物科技的仿真软件、Opentrons和Benchling的机器人实验室系统,以及Riffyn的数据管理软件。

    数据驱动设计的兴起

    新一代生物技术公司将组合栈中的各个组件,创建高效的、迭代的设计、模拟、实验和分析循环。

    设计生物系统具有挑战性。编程复杂的实验方法也是如此。因此,synbio栈中的领先产品现在使用模拟来对生物学和物流进行建模,以交付无错误的设计和实验执行,而不存在很高的技术壁垒。

    对模拟和迭代设计的日益依赖意味着生物技术正日益受到数据驱动。研究人员正在抛弃假设检验的科学方法,转而支持发现科学和算法实验。发现科学强调大的实证分析大量的实验数据来发现新的模式或相关性。算法实验,又称主动学习,是机器学习的一个子领域,主要研究选择需要改进自己模型的数据的算法。新的方法是收集大量的数据,生成大量的模型,设计实验来测试模型,并通过算法选择新的实验来迭代地改进最好的模型。

    自动化层和机器人实验室

    当然,数据驱动的生物工程需要良好的数据,因此湿实验室实验必须是精确的、准确的和可重复的。然而,在制药业之外,湿法实验室工艺历来既不精确,也不易复制。Opentrons和Gilson等公司现在提供低成本的机器人实验室设备,即使是小型初创企业也可以在室内进行复杂的、可重复的湿实验室实验。

    Opentrons

    OT-2可以自动化数百个生命科学协议和工作流。

    Opentrons OT-2机器人于今年3月推出,其明确目标是让这家精益生物技术初创企业成为可能。OT-2的开源API和低成本使其研究成果更加标准化和可复制,可以更快地从学术界转移到商业和消费制造业。Opentrons联合创始人兼CPO威尔•犬科(Will犬科)表示:“我们是开放的执行层,允许人们将自己的分析和设计付诸实践。”一个博士后拿着移液管可能无法执行现在栈的设计层产生的日益复杂的组合实验设计,但是OT-2可以快速而可靠地处理这些任务。

    来源机构: 美国SynBioBeta公司 | 点击量:138
  • 摘要:

    本文由Opentrons提供。通过OT-2实验室机器人和开源协议,Opentrons正在使任何地方的任何实验室都可以使用合成生物学。

    合成生物学即将为世界上一些最紧迫的问题找到答案,比如养活地球和发展可持续的制造过程。合成生物学堆栈——一个技术生态系统,它将帮助我们以100倍甚至1000倍的速度构建生物技术解决方案——是我们最终成功实现这些目标的关键组成部分。

    这个概念已经通过技术堆栈在技术世界中建立起来。在合成生物学中,类似的堆栈是将大型复杂系统的各个部分分离成不同层次的技术的组合:应用层、Bio CAD/CAM层、流程执行层和生物试剂层——每一层都可以进一步分解为子层。公司、组织和研究实验室可能专攻堆栈的一层或两层,这使他们的工作更容易,因为他们可以专注于特定的技术,而不需要考虑其他技术将如何支持或使用他们的技术。

    这是一个组织——阻尼(设计、自动化、制造和原型)实验室——如何利用堆栈推动合成生物学研究的故事。

    潮湿实验室是一个羽翼未丰的生物领域,正在波士顿大学(Boston University)新的生物设计中心内成形。它的任务是开发新的生物系统,使用正式的协议和实验的表现形式为特定的设计-构建-测试周期-最终产生更快,更可伸缩,可复制的研究成果。

    由道格拉斯Densmore博士牵头,副教授在电子和计算机工程系,设施——住在4楼的1.5亿美元Rajen Kilachand综合生命科学和工程中心——是独特的软件,并计划将高通量生物设计机器人技术与软件和实验规划。这种方法旨在满足合成生物学领域中学术界和工业界对标准和可伸缩性日益增长的需求。Rajen Kilachand中心

    Rajen Kilachand生命科学与工程综合中心是为了纪念波士顿大学富有远见的校友和受托人Rajen Kilachand而命名的。

    “阻尼实验室依赖于分离不同的技术领域,形成一个连贯的自上而下的工作流程。这从一个设计层开始,在这个设计层中,软件将被用于从模块化DNA元素创建设计。然后将其转移到规划层,规划层将此设计与其他设计一起,并整体规划如何物理组装这些设计。下一层将这些计划分解成实验室特定的协议。执行层将这些协议分发给实验室硬件,如液体处理机器人。最后,这一切都得到了实验室试剂、实验室设备和其他消耗品的支持。

    基于ims的流程有助于协议的执行

    那么潮湿的实验室是怎么做到的呢?整个过程基于一个开源LIMS系统(由华盛顿大学Eric Klavins的实验室开发的水族箱),它是组织协议、作业和库存的通用框架。今天,潮湿实验室提供大约30种合成生物学协议(如克隆、转化、测序和DNA纯化等),作为对科学界的有偿服务。用户可以通过wet Lab web接口或使用一些可以与LIMS API交互的外部规划软件远程指定实验计划。研究人员也可以介绍他们的样品信息,潮湿实验室的技术人员一收到实物样品,就利用LIMS系统提供的信息在实验室中存储并记录他们的位置。

    协议的指定和设计是为了捕获任何在实验室工作的技术人员为任何允许的输入成功执行协议所需的所有步骤。作业由实验室管理员手动排队,实验室管理员根据执行协议的时间和可用资源决定最合理的实验顺序。研究人员可以实时访问实验更新、结果和成本。

    实时数据采集(样品质量和浓度、细菌转化效率等)是潮湿实验室LIMS系统最重要的功能之一。阻尼实验室使用这些数据不断改进他们的协议和管道。

    潮湿的实验室过程。图片由Nick Emery提供。

    创建一个完整的synbio堆栈

    将LIMS系统与其他几个工具集成的能力允许潮湿实验室团队构建一个完整的合成生物学堆栈,其中包含使用bioCAD工具、LIMS、硬件和实验生物学的层。为了实现这一目标,该团队一直在努力将他们开发的软件工具(如木偶和大提琴)与LIMS软件连接起来。他们还与Opentrons合作,将新的OT-2(小型液体处理器)集成到LIMS软件中,在保持一致性的同时提高吞吐量。手动或通过自动化执行计划的决策可能来自可用作业的数量、可用资源以及使用可用硬件自动化所确定的协议的可行性。这将允许更多标准化和可复制的研究成果,可以更快地从学术界转移到社会。

    建立一个协作的合成生物学社区

    当提供不同堆栈层的组织一起工作时,构建一个功能堆栈要容易得多。阻尼实验室致力于使更广泛的社区能够使用合成生物学协议和工具,以促进更快、更好的研究。它是由教授领导的全球生物多样性联盟的成员。Paul Freemont和Richard Kitney等人致力于通过创建共享资源来提高生物实验的效率,这些资源包括用于加速生物工程和基础研究的被测试和标准化的遗传成分库、软件和世界各地生物零售商之间的标准化实验协议。实验室也可以购买自己的OT-2,并在不久的将来,下载阻尼实验室一直在开发的开源软件——并且,以不到1万美元的价格,拥有自己的自动synbio铸造厂。

    ——文章发布于2019年1月30日

    来源机构: 美国SynBioBeta公司 | 点击量:134
  • 摘要:

    本文由NanoRacks提供,它通过一系列工具和对客户的研究支持来促进太空科学。要了解更多关于纳米粒子如何帮助构建太空科学的未来,请访问nanoracks.com

    第一批被送入太空的生物——一些细菌和不起眼的果蝇——在不太引人注目和不太舒适的环境中结束了他们的旅程。这些细菌和果蝇被塞进了二战时期的V-2火箭的鼻锥内,而不是在航天飞机内进行一次相对愉快的旅行。V-2火箭是微重力研究早期的首选航天器。

    我们可能已经远离了科学实验在重新设计的导弹的角落和缝隙中危险地穿越太空的日子,但太空科学还没有达到阿瑟c克拉克(Arthur C. Clarke)在《2001太空漫游》(2001:a space Odyssey)中所描绘的那种宏大愿景的水平。月球上没有月球基地,也没有只能在微重力条件下才能治愈的灵丹妙药。既然计算机、手机、CRISPR和其他先进技术都是在同一时期出现的,为什么太空科学的发展速度似乎没有那么快?

    研究:太空探索的空白

    微重力研究员卡尔·卡拉瑟斯博士把他自己的研究载荷送入了太空,他认为这背后的一个原因可能是太空科学研究在很大程度上被当作事后的考虑。例如,水星计划、双子座计划和阿波罗计划将所有的设计努力集中在创造一种能够实现一系列登月目标的安全航天器上。然后,如果限制条件允许的话,科学家们就会进行科学实验,使之适合于任何可能被发现的角落和缝隙。

    航天飞机在甲板中部有储物柜,里面放着宇航员的衣服和个人物品等。看到储物柜是空的,NASA决定用它们来进行微重力研究,尽管储物柜最初并不是为微重力研究而设计的。虽然最终有专门的科学任务是在航天飞机有效载荷舱内的加压或非加压模块中进行的,比如太空实验室,但它们采用了与航天飞机内部相同的储物柜系统——这个系统至今仍被国际空间站(ISS)采用和利用。

    另一方面,空间站的设计历来是考虑到科学研究。Skylab是美国唯一一个专门运营的空间站,它是20世纪70年代的一架航天飞机,主要用于科学研究。它为国际空间站——太空科学皇冠上的明珠——铺平了道路。2005年,国际空间站的美国部分被NASA指定为国家实验室。然而,在20年里,国际空间站已经看到了大约1700个研究载荷,其中只有515个被归类为生物或生物技术研究,其中大多数是一次性的。其中许多项目可以更好地归类为一些人可能认为是“促进”的科学。在国际空间站上进行的严谨科学研究仍然少得惊人。

    为什么?

    直到最近,国际空间站上的科学进展还是缓慢的。除了将你的实验送入太空之外,研究设计还受到过时硬件和旧思维方式的指导。仪器非常大。实验是一次性的,专门为每个单独的实验构建硬件。在这样的环境中,重复实验和复制结果变得非常困难。直到2019年1月,人类才通过中国嫦娥四号月球远端有效载荷上的棉花种子,实现了在另一个世界上种植植物的里程碑。

    卡拉瑟斯说:“想象一下,在你的实验室里,每次你想做一个实验,你就必须为它建造一个硬件。”就在2011年,他还记得自己对硬件的失望,因为它根本无法像他在地球实验室中经常使用的那样正常工作。例如微板、吸管和离心管。为什么没有人尝试过建造一个更像地球上的实验室的太空实验室呢?”他想。

    就在这个时候,卡拉瑟斯遇到了NanoRacks的首席执行官兼联合创始人杰夫•曼伯(Jeff Manber)。在NanoRacks上,他看到一家公司正在创新太空科学研究的思路和实施方式。

    创建一个类似地球实验室的空间实验室

    NanoRacks的标准化硬件和商用接入计划将更有效地利用已经用于国际空间站研究的空间,并降低研究人员将有效载荷送入太空的成本。NanoRacks向NASA提出了他们的想法,并表示将为硬件、技术和安全流程付费。作为回报,他们只需要一次(或几次)太空之旅。美国国家航空航天局表示同意。结果呢?nonalab。

    NanoLab是一个基于立方体的即插即用研究盒。NanoLabs体积小,效率高,被设计成适合国际空间站的快速储物柜系统,本质上细分了空间站上可用的研究空间。NanoLab最小的版本只有10cm×10cm×10cm - CubeSat 1U标准。小的研究空间也更具有成本效益:使用纳米实验室进行研究所必需的微型化电子产品,比典型太空飞行研究所需的标准尺寸电子产品要便宜得多。例如,没有经过辐射处理的计算机或电子产品——国际空间站的环境保护部门负责这方面的工作。像Arduino和树莓派这样便宜易得、火柴盒大小的微控制器的普及,进一步降低了成本。这还没有考虑到Adafruit、Sparkfun、甚至亚马逊(Amazon)等公司最近出现的新一代、超小型传感器和设备的热潮。而且,NanoLab的即插即用特性(多亏了一个集成的USB端口)节省了机组人员的时间,并便于接近实时的数据传输回地球。

    为了便于蛋白质晶体生长实验,我们将两个1.5U的纳米薄片连接在一起。图片来源:Carl Carruthers/NanoRacks。

    纳米实验室被证明是一个真正具有变革意义的想法,但它并没有完全从长期困扰太空科学的一次性实验中移除。需要更多的标准——研究人员熟悉的标准——使太空实验室更类似于地面实验室。还有什么比微板更熟悉的呢?

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    因为它们是地球实验室的标准设备,所以NanoRacks要求它们的所有硬件都与微板兼容,比如这个由NanoRacks设计、制造和优化的反应堆微板,以便在国际空间站的读板机中使用。图片来源:NanoRacks。

    基于微板的通用性和熟悉性,NanoRacks决定他们的硬件应该具备与微板打交道的能力。他们的第一个商用设备,一个读板机(2011年首次进入国际空间站,现在正在第二个版本中)很容易就符合要求,而且它本身就是一个标准的、在地球上几乎每个研究实验室都能找到的设备。接下来是显微镜,它也被设计成与微板一起使用,现在NanoRacks已经发展到第三代。这两种设备都向向研究人员提供他们熟悉的工具迈出了一大步,从而消除了学习新硬件的需要。这两种工具对于空间站的工作人员来说都很容易使用。

    “你在空间站上做的所有研究都是通过代理进行的,要么是机器,要么是人,”卡拉瑟斯说。他最终在2014年成为NanoRacks的首席科学家。他指出,进行实验的人“可能有也可能没有任何研究或科学背景”。所以,甚至删除只是一个比特的面积不熟悉或不确定性的硬件上使用国际空间站,使研究更容易适应的地面实验,或者更容易理解,更舒适,这是一个重要的一步…你在你的实验室(地上)空间站。”

    重要的是,NanoRacks选择保持其标准的开源,比如NanoLab的形式因子。NanoRacks的商业总监阿德里安•曼久卡(Adrian Mangiuca)表示:“我们正致力于在近地轨道上创建一个真正的商业生态系统。”“我们不是一个人这么做的,我们不是通过一个商业垄断这么做的。”我们需要一个由买家、卖家、硬件和服务提供商组成的充满活力的社区——这是任何一个市场能够持续发展的原因。事实上,这是曼伯决定不对最初的纳米实验室模型申请专利的根本原因,它在国际空间站取得了成功。

    其他公司终于赶上来了,一些公司甚至建造了微重力研究单元,其外形因素与纳米实验室几乎相同。早期由NanoRacks开发的NanoLab标准已经在更广泛的微重力研究领域站稳脚跟,越来越多的商用硬件正在开发中,以满足研究人员对微板工具的需求。通过保持开放和协作,NanoRacks正在帮助培育一个空间科学社区和服务与硬件的生态系统,并最终取得成果。

    果蝇,童子军和中国的太空载荷

    NanoRacks的努力正在以切实可行的方式获得回报。还记得那些不幸的果蝇在第一次有效载荷飞行中被塞进V-2火箭鼻锥吗?多亏了NanoRacks的标准化硬件以及与NASA的合作,果蝇——一种在地面和太空都很好的研究模型——正再次进入太空(对它们来说幸运的是——也回到了地球)。一位名叫NanoRacks的客户是一位多产的果蝇研究人员,她写道,她一年能飞三次有效载荷——比之前的所有年份多三倍。从那时起,她已经能够建立一个更加复杂的果蝇太空研究项目,并定期向国际空间站发送项目。

    卡拉瑟斯说:“我们能够让这个微重力研究人员比以前走得更远更快,这突出了我们能够为研究人员提供的能力,创造出负担得起、易于转移的东西。”

    NanoLabs还为芝加哥童子军209部队提供了一些令人难以置信的科学项目,该部队研究了微重力环境下的细菌基因突变。第二组研究人员在纳米实验室中使用光谱法研究淀粉样蛋白在微重力下如何折叠。这两个项目都可能对人类健康产生重要影响——无论是在地面还是在太空。NanoRacks对学生的支持还不止于此。他们的附属公司DreamUp帮助从小学到博士后的学生们实现了他们自己的微重力实验,比如世界上第一个太空基因组编辑实验。

    但也许最重要的科学有效载荷纳米飞行器是与北京理工大学的科学家合作的一个项目。研究小组创造了一种微重力优化的PCR芯片,用于研究基因组中免疫系统特异性区域的突变,该区域容易受到电离辐射的破坏,就像宇航员在太空中经历的那样。其结果是一种便携式和可编程的微型热循环器,其产生的DNA量与商用热循环器相当或更高。这项研究发表在《宇航学报》(Acta Astronautica)上,它代表着中国在国际空间站上的首个商用有效载荷——使NanoRacks成为第一个、也是唯一一个实现这一机会的实体,无论是商用的还是非商用的。

    NanoRacks

    在佛罗里达州卡纳维拉尔角的空间生命科学实验室,中国的有效载荷被正式移交给纳米粒子。图片来源:NanoRacks。

    小努力,大收获

    显然,在过去的几年中,在使太空实验室更接近地球实验室方面已经取得了许多进展,纳米粒子在这些改进中发挥了不小的作用。尽管微重力研究仍然面临挑战,但已经完成了一些真正重要的工作。卡拉瑟斯认为,只要增加一点投资,就能获得更大的收益。

    “我们就要成功了,”他说。“如果我们只是打开一点,我们提供研究人员更熟悉的东西,像自动化流体处理,如果我们只稍微容易,想象变化复杂,质量和一致性的研究空间。想象一下研究人员能够理解和生产什么——从生物学到复杂的药物。NanoRacks已经准备好成为这些努力中的关键公司。

    事实上,NanoRacks正与美国国家航空航天局(NASA)密切合作,探索未来拓展太空科学领域的商业途径。该公司被选为领导NASA LEO商业化研究的九家公司之一,该研究为拓展太空商业活动的途径提供了重要的见解。NanoRacks预计,从这一努力中获得的洞见最终将产生更可持续、更经济的空间科学方法。随着纳米技术、美国宇航局和整个航天工业将可持续的、有用的太空科学——特别是生物科学——作为探索的中心主题和重点(而不是昂贵的事后考虑),这些目标将成为现实,永远改变太空科学。

    来源机构: 美国SynBioBeta公司 | 点击量:133
  • 摘要:

    包括最先利用革命性的CRISPR- cas9和其他系统编辑真核生物(包括动物和植物)基因组的科学家在内的一个团队,设计了另一个CRISPR系统,称为Cas12b。与CRISPR-Cas9系统相比,新系统提供了更好的功能和选项。

    自然通信在今天发表的一项研究中,核心研究所冯张成员和他的同事们在麻省理工和哈佛大学和麻省理工学院麦戈文脑研究所,与合作者在美国国立卫生研究院,尤金·库宁证明新酶可以改造目标和精确的尼克或编辑人类细胞的基因组。与Cas9相比,hisashii芽孢杆菌(BhCas12b)的Cas12b靶向特异性高,体积小,适合于体内应用。该团队现在正在使CRISPR-Cas12b广泛用于研究。

    先前确定的团队Cas12b(当时称为C2c1)的三个承诺2015年新CRISPR酶,但面临着一个障碍:因为Cas12b来自嗜热细菌——生活在炎热的环境中如间歇泉、温泉、火山、自然和深海热液喷口,酶只在温度高于人体温度。

    “我们从大自然中寻找灵感,”张说。“我们想创造一种能在较低温度下工作的Cas12b,所以我们扫描了数千个细菌基因序列,寻找能在哺乳动物环境较低温度下茁壮成长的细菌。”

    通过对自然多样性的探索和对有希望的候选酶的理性工程的结合,他们产生了一种Cas12b,能够有效地编辑原始人类T细胞的基因组,这是靶向或利用免疫系统的疗法的一个重要的初始步骤。

    “这进一步证明,还有许多有用的CRISPR系统有待发现,”张晓刚实验室的博士后、人类前沿科学项目研究员、该研究的第一作者乔纳森·斯特雷克(Jonathan Strecker)说。

    该领域进展迅速:自从Cas12b酶家族在2015年首次被描述并被证明是rna引导的DNA内核酸酶以来,有几个小组一直在探索这个酶家族。2017年,加州大学伯克利分校Jennifer Doudna实验室的一个研究小组报告称,酸杆菌Cas12b可以介导DNA的非特异性侧枝分裂。最近,中国科学院在北京的一个研究小组报告称,另一种来自嗜酸杆菌的Cas12b被用于编辑哺乳动物细胞。

    布罗德研究所和麻省理工学院正在广泛共享Cas12b系统。与早些时候基因组编辑工具,这些组织将使技术免费学术研究实验室通过张Addgene plasmid-sharing网站的页面,通过这张实验室共享试剂已经超过52000次,62个国家近2400实验室的研究人员加快研究。

    张核心机构广泛的麻省理工学院和哈佛大学的成员,以及一名调查员在麻省理工学院麦戈文脑研究所,詹姆斯和帕特里夏·Poitras麻省理工学院神经科学教授,和麻省理工学院的副教授,联合部门任命的脑与认知科学和生物工程。

    国家人类基因组研究所、国家心理健康研究所、国家心肺血液研究所、普瓦特拉斯精神疾病研究中心、霍克·e·谭和杨利莎自闭症研究中心为这项研究提供了支持。张峰是霍华德休斯医学研究所的一名研究员。

    来源机构: 哈佛-麻省理工学院Broad研究所 | 点击量:210