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2019年第4期(发布时间: Oct 16, 2019 发布者:闫亚飞)  下载: 2019年第4期.doc       全选  导出
1   2019-09-24 11:11:00.96 与五家使用AI工程生物学的合成生物学公司会面 (点击量:19)

电视和广播称“人工智能即将来临”,它将接替您的工作并在国际象棋上击败您。

但是,人工智能已经来临了,它可以在国际象棋上击败您,这是世界上最好的。在2012年,Google还使用它来识别YouTube视频中的猫。今天,这就是特斯拉拥有Autopilot,Netflix和Spotify似乎“读懂你的思想”的原因。现在,人工智能正在改变合成生物学的领域以及我们如何设计生物学。它可以帮助工程师设计出新的方法来设计基因回路,并且通过已获得的巨额投资(过去10年中的12.3亿美元)及其正在破坏的市场,它可能对人类的未来产生重大影响。

人工智能的概念相对简单,它是具有推理,学习和决策行为的机器编程。一些AI算法(只是计算机遵循的一组规则)在这些任务上非常出色,以至于可以轻易胜过人类专家。

我们听到的关于人工智能的大多数信息都涉及机器学习,这是AI算法的子类,可以从数据中推断出模式,然后使用该分析进行预测。这些算法收集的数据越多,其预测就越准确。深度学习是机器学习的一个更强大的子类别,其中大量称为神经网络(受大脑结构启发)的计算层协同工作以增加处理深度,从而促进诸如高级面部识别(包括iPhone上的FaceID)之类的技术)。

[有关人工智能及其各个子类别的更详细说明,请查看本文及其流程图。]

无论AI的类型或用途如何,我们都处于计算革命之中,它将其卷须扩展到“计算机世界”之外。很快,AI将影响您服用的药物,燃烧的燃料,甚至是您用来洗衣服的洗涤剂。

特别是生物学,是人工智能最有希望的受益者之一。从调查导致肥胖的遗传突变到检查癌细胞的病理样本,生物学产生的数据非常复杂,令人费解。但是,这些数据集中包含的信息通常提供有价值的见解,可用于改善我们的健康状况。

在合成生物学领域,工程师寻求“重新连接”活生物体并为其编程以新功能,许多科学家正在利用AI设计更有效的实验,分析其数据并使用其来创建突破性的疗法。这是五家将机器学习与合成生物学相结合的公司,为更好的科学和更好的工程铺平了道路。

Riffyn催化干净的数据收集和分析

(加州奥克兰,成立于2014年,已筹集了2490万美元)

机器学习算法必须从大量数据开始-但是,在生物学上,要生成好的数据非常困难,因为实验耗时,繁琐且难以复制。幸运的是,有一家公司正在通过简化科学家的工作来解决这一瓶颈。

Riffyn基于云的软件平台可帮助研究人员标准化,定义和执行实验,并简化数据分析,这使研究人员能够专注于进行实际的科学研究,并使使用机器学习算法从他们的实验中获得更深刻的见识成为日常现实。

使用此平台,可以更有效地进行实验,从而导致成本大幅下降,生产率和质量得到改善,并且准备使用复杂的机器学习技术进一步分析数据。这意味着公司可以使用这项技术来开发用于癌症治疗的新蛋白质,并且他们可以比以前更快,更好地做到这一点。里芬(Riffyn)已经与15家全球生物技术和生物制药公司中的8家进行了合作-他们成立于五年前。

Microsoft Research Station B:汇集编程生物学的难题

(英国剑桥,于2019年正式启动)

合成生物学世界中有许多活动的部分,这使得尽可能简化和整合操作变得困难而至关重要。在过去的十年中,Microsoft Research的计算生物学部门B站一直在开发生物学的机器学习模型,以解决此问题并加快从医学到建筑的各个领域的研究。

它的努力也以各种新的伙伴关系的形式获得了回报。借助Synthace,它正在开发用于自动化和加速实验室实验的软件。 B站还与普林斯顿大学合作,通过利用基于机器学习的方法从生物生长不同阶段拍摄的图像中提取图案,研究生物膜背后的机制(与细菌菌落如何产生抗生素抗性有关)。 B站还与牛津生物医学公司合作,该公司利用这些机器学习功能来改善针对白血病和淋巴瘤的有前途的基因疗法。这也许是合成生物学影响最大的领域之一:设计与多种疾病作斗争的疗法。

Atomwise:深度学习解码结构蛋白设计的黑匣子

(总部位于美国加利福尼亚州旧金山,成立于2012年,已筹集了5100万美元)

Atomwise正在通过其称为AtomNet的深度学习平台来应对药物开发,该平台可以快速对分子结构进行建模。它可以准确地分析小分子内的化学相互作用,从而预测针对埃博拉病毒至多发性硬化症等疾病的功效。通过利用有关原子结构的数据,Atomwise设计了新颖的疗法,否则将几乎不可能开发。

他们与包括Charles River Laboratories,默克,多伦多大学和杜克大学医学院在内的机构建立了众多学术和公司合作伙伴关系,这些机构正在提供许多现实世界的应用程序和机会来推动这项研究的发展。他们最近还宣布了与江苏汉寿药业集团的高达$ 1.5B的合作,该公司是今年最大的生物制药IPO之一。

尽管Atomwise的分子设计方法功能强大且可以有效抵抗多种疾病,但还没有一种完美的方法来进行计算发现。那就是Arzeda进来的地方。

Arzeda:使用从头深度学习重写蛋白质设计规则

(华盛顿州西雅图市,成立于2008年,已筹集了1520万美元)

Arzeda是一家来自华盛顿大学贝克实验室的公司,利用其蛋白质设计平台(当然植根于机器学习算法)来对蛋白质进行工程改造,从工业酶到农作物及其微生物群落。

Arzeda完全从零开始(或从头开始)构建其分子,而不是优化现有分子,以执行自然界中未发现的新功能;深度学习技术对于确保其设计的蛋白质正确折叠(非常复杂的计算问题)并按预期发挥功能至关重要。一旦完成计算步骤,就可以通过发酵(就像啤酒一样)来生产新蛋白质,而绕过自然进化过程以有效地生产全新的分子。

分布式生物:彻底改变流感,癌症,蛇咬等的未来

(加利福尼亚州南旧金山,成立于2012年,由许可技术自筹资金)

在设计范围的另一端,Distributed Bio利用合理的蛋白质工程技术来优化现有的抗体,这些抗体是您体内的蛋白质,可以检测细菌并与其他引起疾病的入侵者抗争,从而创造出新颖的疗法。

Tumbler平台是该公司拥有的众多免疫工程技术之一(从通用流感疫苗到广泛覆盖的蛇抗蛇毒)。 Tumbler使用机器学习方法创建了超过5亿种起始抗体变体,以扩展和量化分子中哪些变化最有价值的搜索空间。然后,它会对序列进行评分,以预测它们在现实生活中与目标的结合程度,并使用“有价值的变化”信息进一步改善得分最高的序列。随着最高级序列的合成和在实验室中的测试,生产周期继续进行。最终,原型分子应运而生,以实现预期的治疗目的-自然界中不一定观察到这种现象,而是结合了所有可能的最佳特征。

Tumbler已帮助实现了超越传统单一靶标药物开发的广泛应用-从设计可同时与多个靶标结合的抗体到创建嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)治疗(与Chimera Bioengineering一起)用于癌症治疗具有降低的毒性,此端到端优化平台大规模产生理想抗体的能力是空前的。

尽管这一进展令人兴奋,但人工智能并不是我们对自然界研究的普遍替代,也不是开发治疗人类疾病的唯一方法。有时,它在技术上可能没有用,甚至从道德上讲也不是合理的。随着我们继续获得这项技术的好处并将其日益融入我们的日常生活中,我们必须继续就合成生物学和AI创新的设计,实施和道德操守进行对话。我们站在科学和人类新时代的悬崖上。

——文章发布于2019年9月19日

2   2019-09-24 11:08:32.057 国际常见疾病联盟发起,旨在 (点击量:18)

来自学术界和行业的常见疾病遗传学社区的成员本周聚集在华盛顿特区,发起了国际常见疾病联盟(ICDA)。这项新的计划是经过一年多的计划启动的,旨在将国际科学界聚集在一起,以加深我们对人类基因组中遗传变异如何促进常见疾病(例如心血管疾病和2型疾病)生物学的认识。糖尿病。

会议召集了来自六大洲19个国家的专家,他们代表了各种研究领域,包括遗传学,疾病生物学,功能基因组学,计算生物学和药物发现。 ICDA社区将共同努力,提出有关项目,政策和活动的建议,这些建议将消除从遗传图谱到生物学机制再到常见疾病新药的快速发展的障碍。

牛津大学基因组内分泌学和代谢学教授塞西莉亚·林德格伦(Cecilia Lindgren)表示:“世界上有许多有希望的努力可以在遗传学和疾病生物学之间架起桥梁。” “ ICDA希望充当召集人,为讨论,启发并酌情协调各个项目提供一个场所。” Lindgren是ICDA组委会的联席主席,该委员会由代表15个国家和五大洲的33名成员组成。

自人类基因组计划成功产生人类的第一个序列以来,多年来,人类遗传数据的深度和广度呈指数增长。结果,科学家们已经确定了与人类疾病成千上万的遗传联系。这些发现中的一些已经提高了我们对疾病生物学基础的理解,导致了明确的治疗假说,并实现了疾病风险的遗传预测。

现在,科学家寻求绘制一条路径,从绘制与疾病相关的遗传区域到确定其生物学作用,并最终开发治疗剂。由于许多这些遗传变异都位于不编码蛋白质的基因组片段中,因此难以解释这些变异的功能。

与罕见的单基因疾病(单个罕见变体具有巨大影响)的情况不同,常见疾病通常源于数百种共同作用于多种生物途径的常见变体的组合或适度影响。科学家必须解开这种生物学,以揭示用于临床开发的治疗靶标。

为此,ICDA的成员旨在确定进步的障碍,提出解决方案(必要时包括新技术和科学方法),与资助者进行协调,并与国际科学界和公众互动。

“科学界正在一个关键时刻汇聚在一起,以加快对常见疾病的理解,”布罗德研究所所长兼创始主任,ICDA组委会联合主席埃里克·兰德(Eric Lander)说。 “该联盟将汇集来自世界各地和各个领域的科学专家,以解决生物医学中的关键问题。”

ICDA的工作组专注于特定领域,例如向同龄人学习; 开发将变体连接到基因,细胞途径和分子机制的一般方法; 推进针对疾病的方法论,以优先考虑药物开发目标; 并解决数据访问,安全性,共享和道德问题。

3   2019-09-17 13:53:10.49 推动美容行业创新的成分? 生物学。 (点击量:14)

近年来,美容行业的估值超过5000亿美元,近年来一直在经历爆炸性的增长。从K-和J-Beauty的全球趋势,到包括清真美容和男士护肤系列在内的新兴空间,美容品牌和制造商以更快的速度服务于新市场,对可持续性,透明度,道德采购和功效的需求不断增加他们的配方。为了满足这些需求,他们依赖于一个看似不太可能的盟友:生物学。

但鲜为人知的事实是,美女已经拥有令人印象深刻的悠久历史,成为科学和技术进步的早期采用者。科学已经解开化学合成群青用于蓝色颜料 - 之前被认为比黄金更珍贵,并且相应地定价 - 在彩妆(蓝色眼影,任何人?)中,以及在香水中开发鲸鱼衍生龙涎香的合成替代品。它也给了我们非动物来源的维甲酸和透明质酸。虽然历史上许多这些进步都源于化学,但生物学和生物技术已成为21世纪及以后的首选创新工具。

在我们与全球美容景观客户的接触中,从建立到崭露头角的颠覆品牌,我们亲身体验了对创新成分和技术的迫切需求,这些成分和技术使快速发展的行业中的参与者具有竞争优势,引人入胜的新故事。生物学就是答案。仅在过去的二十年中,我们就以不断加速的速度,在将生物技术进步应用于消费者产品方面取得了令人瞩目的进步。 Biosance,Amyris的分散消费者美容品牌,自豪地通过生物技术引领可持续发展的标语,是未来更多的先锋和胜利。我们知道全球的品牌,制造商和消费者都渴望有更多方法来实现生物驱动产品的优势,而且我们已经看到这项技术如何触及食品和饮料,材料等领域。数十亿人的生命,以及我们所知道的这个星球,正在寻求生物学家现在提供 - 而且可能性既令人兴奋又无穷无尽。

对于Geltor来说,我们的生产平台中包括合成生物学,发酵和计算生物学在内的学科交叉领域已经有意识地生物分配了像胶原蛋白这样的成分,这些成分超越了传统的对应物,在生物相容性,纯度和临床证明的功效方面具有前所未有的优势。而我们刚刚开始。对于精心应用的生物设计可以为转型产品提供动力的方式,有一些非常值得注意的事情,这些产品可以悄然推动行业前进,因为它们就是那么好。时机不可能更好:今天的普通消费者比十年前更加科学,思想复杂,更具辨识力,与气候和社会变化的现实一起演变。新一代的美容配方(包括Collume™和HumaColl21™)不仅没有降级到轻薄,而是为用户提供的新标准,不仅包括他们日常产品的制作方式,还在于他们提供的结果。

——文章发布于2019年9月4日

4   2019-10-12 09:36:46.52 Illumina与Broad Institute宣布协议共同开发基因组 (点击量:17)

Illumina,Inc.与麻省理工学院和哈佛大学广泛研究所今天宣布,他们已经为合作开发二级基因组分析算法和软件进行了合作。两家机构的顶级数据科学家将合作,将业界领先的开源GATK算法与Illumina的DRAGEN(基因组动态读取分析)Bio-IT平台的速度和更高的准确性结合起来,以用于常用方法,包括小变异(SNV) )和大型变体(CNV / SV)检测。

“ Broad和Illumina致力于确保各种规模和学科的实验室都能使用最佳算法,”麻省理工学院和哈佛大学广泛数据研究院首席数据官Anthony Philippakis博士说。 “通过汇集我们的专业知识来改进我们的开源工具包,我们可以提供我们最先进的综合产品线,同时确保它对全球基因组学界仍然是广泛可用,开放和可访问的。这是一项长期的合作伙伴关系-我们将共同创新,以推动要求基因组学发展的新型变异的前沿。”

共同开发的辅助分析软件将是开源的,并将通过Broad Institute的常规社区支持渠道(例如GitHub)进行分发。 Illumina打算在Illumina DRAGEN-Bio-IT平台上开发专有的,硬件加速版本的共同开发软件。该软件的加速版本将在DRAGEN Bio-IT平台上提供大量当前可用的管道,作为补充。 Broad Institute和Illumina团队将验证这种硬件加速版本的结果在功能上与共同开发的开源软件的结果相同,以确保下游分析的数据互操作性。

Illumina产品开发高级副总裁Susan Tousi说:“ Illumina的目标是向我们的客户提供行业领先的技术,无论这意味着我们自己创建工具,内部引进新技术和团队,还是通过合作来增强我们的产品。” “这就是为什么去年我们如此激动地收购Edico Genome和DRAGEN的原因,我们本着这种精神与Broad公司合作,旨在为常用方法提供一流的开源软件。通过创建将DRAGEN和GATK的优点结合在一起的一套算法,我们相信我们可以通过减少分析的成本和时间来推动测序的临床应用。”

博德研究所的GATK是鉴定种系DNA和RNA测序数据中SNP和插入缺失的行业领导者。这些工具主要用于处理用Illumina测序技术生成的外显子组和整个基因组。随着时间的流逝,范围扩大到包括体细胞短变异体调用,并解决了拷贝数变异(CNV)和结构变异(SV)。除了变体调用程序外,GATK还包括实用程序,可以执行相关任务,例如高通量测序数据的处理和质量控制。

Illumina DRAGEN生物it平台提供精确、快速的生殖系和体细胞SNV、SV、CNV(A)的二次分析,以及甲基化、RNA和重复扩增工作流程。采用可重构的现场可编程门阵列技术(FPGA)实现了管道硬件加速。DRAGEN管道可以通过本地服务器在本地部署,也可以通过Illumina的BaseSpaceTM Sequence Hub在云中部署。

联合开发的二次分析软件将为处理高通量测序数据和执行变型发现分析提供一种标准化的方法,旨在达到最佳的敏感性、准确性和可伸缩性。

”这种方法对于社区是一个积极的步骤,将增加可用选项的数据分析来提高质量和降低当前的成本分析方法,”伊万伯尼说,导演,基因和健康(GA4GH)和全球联盟EMBL的欧洲生物信息学研究所。“科学界已经准备好从这次合作中受益,朝着黄金标准的分析方法和文件格式发展,我们相信这将进一步促进机构间的互操作性、研究和见解,以最大限度地发挥基因组学在卫生保健方面的影响。”

有兴趣参加休斯顿ASHG展会的人士可以于2019年10月15日至19日参观Illumina展位或Broad展位。

5   2019-10-10 15:35:57.017 团队合作发现了癌症如何胜过目标药物 (点击量:1)

靶向抗癌药物Venetoclax于2016年首次获得FDA批准,为患有慢性淋巴细胞性白血病(CLL)等血液癌症的患者带来了新希望。但是这种热情开始消退,因为这种药物对某些看到疾病复发且治疗选择减少的患者停止起作用。

对于麻省理工学院,哈佛大学和达纳-法伯癌症研究所(DFCI)的医师科学家凯瑟琳·吴来说,癌症逃避这种药物的能力是行动的号召。

Wu和她在DFCI和Broad的同事一起着手分析CLL细胞如何对Venetoclax产生抗性。该药物通过抑制BCL2蛋白靶向CLL和其他癌症的分子根,BCL2蛋白在CLL细胞中含量丰富,可防止称为线粒体的细胞器细胞膜上形成孔洞。

通过与蛋白质组学,代谢和基因扰动领域的Broad专家合作,Wu和她的团队发现,耐药性CLL细胞可以通过过度表达MCL1蛋白以及改变线粒体产生能量的方式生存。这些见解最近发表在《癌细胞》杂志上,提出了可能在一天之内更有效地治疗癌症的新疗法组合。

在这里,科学家们用自己的话语描述了他们的发现之旅。

凯瑟·吴(Cathy Wu),博大癌症研究计划研究所会员,哈佛医学院医学副教授,DFCI和布里格姆妇女医院的内科医师“在过去的几年中,我们已经目睹了CLL改变的治疗前景。直到几年前,标准治疗还是化学疗法,但是现在人们获得的针对CLL分子根的毒性较小的药物。批准Venetoclax的使用一直是该病最令人鼓舞的进展之一,能够目睹它的有效性确实令人兴奋。但是,耐药性仍然是一个问题。”

RomainGuièze,克莱蒙费朗大学中心医院血液学家,吴实验室的前研究员

“一旦批准Venetoclax,我们就开始预计癌症将如何逃避治疗。与其他靶向药物一样,尽管最初的反应很强,但仍有相当一部分患者通过Venetoclax复发,这些患者的病情很差。结果和有限的选择权。至关重要的是,我们要了解抵抗过程的基本规则,以使这些新型药物的利益最大化。”

刘慧卿,华盛顿大学附属医院内科住院医师,吴实验室的前研究员

“我已经看到了几例接受Venetoclax或其他靶向疗法的患者,我希望未来会有越来越多的患者受益于这些新药。为了让Venetoclax发挥其全部潜力,我们必须找到相关的方法。抗药性的机制。系统的,多方面的方法对于揭示意料之外的抗药性途径至关重要,这反过来又揭示了疾病和药物的生物学特性。”

凯茜·吴(Cathy Wu):“我们的第一步是与Broad's Cancer Program的Gaddy Getz合作,对在接受Venetoclax治疗之前和复发后从患者体内获取的肿瘤细胞中的DNA进行测序。我们看到,来自一名患者的CLL细胞可以携带不同的突变,并且带有某些突变的细胞在治疗后变得更加丰富,但我们没有发现任何明显的解释抗药性的方法,很显然,我们需要以公正,系统的方式研究不同的突变和基因如何影响癌症的功能细胞,以揭示异种肿瘤细胞如何能够逃避药物治疗。”

为此,科学家接下来在Broad的遗传扰动平台中与John Doench及其团队联系,以系统地改变癌细胞中的基因,并观察改变后的细胞是否能在药物治疗中幸存下来。在Doench和他的团队的带领下,他们集思广益,探讨了如何设计最佳运行屏幕,确定正确的实验设置,构建屏幕以及最大程度地从中获取信息。

约翰·多恩奇(John Doench),广泛研究中心的遗传扰动平台

“在多个方向上扰动生物系统比仅用一种方法就能提供更清晰的画面。孤立地进行单个扰动就像五个蒙着眼睛的人都试图通过触摸不同的部分来识别大象,并且全都误认了它。(这是一条蛇!!!!!!!!是矛!是墙!!只有从不同角度共享和整合信息,我们才能推测这是一头大象。”

“我的同事费德里卡·皮乔尼(Federica Piccioni)和我建议,凯西和她的团队不仅可以关闭基因,而且可以看到打开基因后会发生的事情,从而获得最大的洞察力,这就是所谓的基因“过表达”。一旦完成,摄动的类型(例如,开放阅读框(ORF),CRISPR的敲除,CRISPRa的过表达,RNA干扰),我们已经建立了一个相关的模型系统并将其与内容丰富的分析相结合,为什么不使用那么多的方法进行筛选尽可能的事情?”

Doench和Piccioni还建议团队不仅检查屏幕上的热门歌曲,还要检查所有数据,以产生新的假设。为了帮助分析所有数据,研究人员与现任诺华生物医学研究所高级研究员科里·约翰尼斯(Cory Johannessen)进行了磋商,当时他领导着一个广泛的团队,寻找耐药性机制和有效的药物组合。

凯茜·吴(Cathy Wu):“在科里(Cory)的帮助下,我们有机会深入思考功能筛选中的点击,以及每个筛选是否可能是耐药性的基础。有许多意外和未知的点击,这就是我们环境的力量所在Broad和Dana-Farber的确诞生了,数据表明抗性细胞过多地产生了一种称为MCL1的蛋白质,我们的同事Guo Wei [现为赛诺菲的首席科学家,当时是Broad的研究人员]正在开发MCL1。抑制剂,因此我们与Guo联手测试并证实了我们的假设,即MCL1过表达驱动耐药性。”

研究小组还使用Wu实验室中的转录组学方法和Broad蛋白质组学平台中的蛋白质组学方法研究了抗性囊的细胞系。研究人员希望找出在耐药细胞中比对药物敏感的基因或多或少地读取哪些基因并将其制成蛋白质。

Steve Carr,广泛蛋白质组学平台的主管

“ Namrata Udeshi领导了我们平台对耐venettoclax耐药细胞系的基于蛋白质组学的分析。她的分析显示,耐药系中的蛋白质失调源自细胞代谢,细胞周期,B细胞生物学和自噬的关键基因。这些研究结果也反映在Cathy实验室进行的RNA分析中,考虑到基因筛选的结果也与细胞能量代谢有关,因此很明显,这种失调可能与线粒体生物学的改变有关,因此我将Cathy与我们的同事Vamsi联系起来Mootha。”

瓦姆西·穆斯塔(Vamsi Mootha),新陈代谢计划的联席主任,布劳德研究所成员,哈佛医学院的系统生物学和医学教授,麻萨诸塞州总医院的医学教授

“我实验室的博士后研究员Alexis Jourdain检查了Venetoclax对线粒体生理的影响。他发现Venetoclax的治疗导致线粒体呼吸作用的急剧降低,这对线粒体能量代谢至关重要。重要的是,他观察到了耐venotoclax的患者细胞系对这种抑制作用免疫,即使存在高剂量的venetoclax也可以维持呼吸。”

“线粒体在能量代谢和程序性细胞死亡中均起着核心作用,这一点早已得到人们的赞赏。本文的整洁之处在于,它以可能与癌症相关的方式将这两个核心功能联系在一起。”

该团队继续使用患者组织样本确认其结果。现在,Wu和她的同事正在探索这一发现是否可能适用于使用Venetoclax治疗的其他疾病,或者药物组合是否可以帮助克服耐药性。

凯茜·吴(Cathy Wu):“在科学领域,我们并不总是有足够的资源来深入研究开放式研究的结果,因此这些努力仍然是开放式的,您不知道结果的含义。在这种情况下,它很漂亮并满意地从一个开放性问题开始,然后在Broad和Dana-Farber拥有足够的资源和专业知识来进行跟踪,直到最后,希望我们有一天可以将其带回诊所,使患者受益。”

6   2019-08-27 10:12:02.773 Science:重大突破!CRISPR-Cas系统新用途!开发出可编程的CRISPR反应性智能材料 (点击量:1)

2019年8月26日讯/生物谷BIOON/---CRISPR-Cas系统已成为科学家们在不断增加的有机体中研究基因的首选工具,并且正被用于开发潜在地校正基因组中单个核苷酸位点上的缺陷的新型基因疗法。它也被用于正在进行的诊断方法中,用于检测患者体内的病原体和致病突变。

如今,在一项新的研究中,来自美国哈佛大学威斯生物启发工程研究所和麻省理工学院的研究人员展示了将CRISPR用作新型刺激反应性“智能(smart)”材料的控制元件。一旦被特定的天然的或用户定义的DNA刺激物激活,一种CRISPR-Cas酶就能够让多种智能材料释放出自身结合的货物,比如染料和活性酶,改变它们的结构来部署包埋的纳米颗粒和活细胞,或者调节电路从而将生物信号转化为电信号。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上,论文标题为“Programmable CRISPR-responsive smart materials”。

论文通讯作者、哈佛大学威斯生物启发工程研究所创始核心学院成员James Collins博士说,“我们的研究表明CRISPR的力量可以在实验室之外用于控制DNA反应性材料的行为。我们开发了一系列具有不同能力的材料,这就突显了可编程的CRISPR反应性智能材料(CRISPR-responsive smart material)所支持的应用范围。这些应用包括新型治疗诊断策略、即时诊断以及对流行病爆发和环境危害进行的区域监测。”

CRISPR-Cas系统因其能够利用短的互补性向导RNA(gRNA)在基因组中找到几乎任何靶序列并且能够以手术精确度切割和修复DNA双链而获得了巨大的声誉。在这项新的研究中,这些研究人员使用了一种来自毛螺菌(Lachnospiraceae)的称为Cas12a的Cas酶变体,这种酶变体具有识别和切割特定DNA序列的能力,但是,重要的是,经这种切割事件激活后,它接着以每秒大约1250次的周转速率非特异性地切割特定DNA序列附近的单链DNA。

论文共同第一作者、麻省理工学院研究生Max English说,“我们将单链靶DNA序列整合到聚合物材料中,要么作为悬垂货物的锚点,要么作为维持材料基本完整性的结构元件,并且能够通过提供Cas12a和一种作为刺激物的特定gRNA来控制不同的材料行为。”

CRISPR反应性材料用于小型货物递送

这些研究人员通过双链DNA锚定序列将不同的有效载荷附着到一种所谓的聚(乙二醇)水凝胶材料上。论文共同第一作者、Collins团队博士后研究员Helena de Puig博士说,“在互补的gRNA存在下,附近的Cas12a酶靶向这些锚定序列,随后让它们遭受降解。因此,我们可以释放有效负载,比如荧光分子和酶,这种释放速率取决于gRNA/靶DNA的相对亲和力,以及硬编码到水凝胶中的特性,比如它们的孔径和与水凝胶材料交联在一起的靶向锚定序列的密度。”他们认为,这种方法可用于开发具有诊断能力的材料,也可用于环境监测。

刺激后释放包埋的纳米颗粒和细胞

这些研究人员在在更大的范围内研究了他们的方法,以促使包埋纳米颗粒和活细胞的聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PA)水凝胶发生结构变化。论文共同第一作者、Collins团队的研究生Raphael Gayet说,“在这项新的研究中,我们利用Cas12a靶序列将PA链彼此交联在一起,从而起到结构元件的作用。通过触发Cas12a活性移除交联剂可促进整个水凝胶基质发生机械变化,从而允许金纳米颗粒和人原代细胞释放出来。论文共同第一作者、Collins团队的研究生Raphael Gayet说,“这种方法可用于将细胞释放到组织支架中。”

生物材料作为保险丝和可控阀

在另一种不同的方向上,Collins和他的团队设计了CRISPR反应性智能材料,可以作为保险丝和调节流体通过的可控阀。这些研究人员利用炭黑(一种良好的电导体)和随机单链DNA片段制成的纳米颗粒混合物覆盖电极,并用含有Cas12a和特定双链靶DNA的溶液包围这些电极。论文共同作者、Collins 团队成员Nicolaas Angenent-Mari 说,“这种材料本身就能够让电流在电极之间流动。然而,当我们触发Cas12a依赖性的嵌入DNA降解时,这种材料受到破坏,从而导致电流中断。”

在纸基微流体装置中,这些研究人员组装了一叠折叠的微型垫,每个微型垫都具有特定的功能。在Cas12a特异性双链DNA触发剂不存在或存在的情况下,他们让与DNA交联在一起的PA水凝胶与Cas12a发生预反应,并用它覆盖中间垫。然而,这种水凝胶仅在没有Cas12a触发的DNA的情况下形成,并且当添加到中间垫上时,这会堵塞它的孔。这接着阻断了携带电解质的缓冲液从这叠微型垫的顶部流动到电极所在的底部。

相反之下,Cas12a触发的DNA的存在阻止了这种水凝胶发生的交联,从而使得这种缓冲液流动并在电极上产生电流,因而基本上发挥着电阻器的作用。论文共同第一作者Luis Soenksen说,“通过这种方法,我们将对应于埃博拉病毒特异性RNA的DNA检测与电信号相结合在一起,甚至可以利用偶联RFID天线实时传输信号。”

哈佛大学威斯生物启发工程研究所创始主任Donald Ingber博士说,“Collins及其团队在威斯生物启发工程研究所的活细胞平台上开展的这项突破性研究展示了CRISPR技术在全新领域(从诊断、治疗到生物电子学)的价值,这标志着这种生物启发技术为生物医学发展带来的又一个鼓舞人心的转折点。”

7   2019-08-27 10:09:35.557