SynBio 有趣文章分享（一）

A co-culture based tyrosine-tyrosinase electrochemical gene circuit for connecting cellular communication with electronic networks

文章采用了一种用细胞产生电流的方式来把细胞的转录水平信号转化成电信号。主要是通过tyrosinase实现。通过AIDA转运蛋白锚定在细菌细胞膜上的tyrosinase可以把L-酪氨酸催化为L-DOPA和L-DOPAquinone，L-DOPA被氧化为L-DOPAquinone在金电极处给出电子，在特定电压下产生不同幅度的电流峰值。文章采用了两种细胞的混合体系：一种细胞感受一种信号生产L-酪氨酸，一种细胞感受另一种信号表达tyrosinase，两种细胞混合形成 “AND” 门。

基本原理图

Designing with living systems in the synthetic yeast project

文章主要集中在讨论是否应该基于完全的控制论和工程学的观点去看待合成生物学。与非生物体系相比，生物体具有复杂性、变异性，在工程学中需要规避的噪声对生物群体的生存反而是有利的，生物的基因环境影响基因的表达使得模块化设计较难实现。

文章提出了一个新的观点：除了把工程生物看做“工具”外，还应该将它们看做“合作者”。尊重并利用他们的随机性和复杂性，与其把它们要做的事情一步步设计好（传统工程学思路），不如给他们一个目标和工具让他们自己去发挥（全细胞定向进化）。

作者举酵母基因组计划为例，研究者们为酵母提供了一个快速重组的工具（SCRaMbLE），在不同的极端环境下，酵母能够进化出适应相应环境的生存能力，或是生产某种物质的能力，整个过程中不涉及到对某种特定基因回路或者酶基因的理性设计。但是这种方式的问题是如何让研究者与他们的“合作者”更高效地沟通，即筛选条件的设定以及“合作者”把结果反馈给研究者。个人看来如何通过进化让“合作者”更聪明的进化出复杂的能力也是个问题。

Developing a new class of engineered live bacterial therapeutics to treat human diseases

文章由Synlogic的科学家主笔，讨论了开发工程微生物作为一种药物应该考虑的因素，以及一些挑战。首先作为一种药物考虑，微生物药物需要具备药物的通用特性：被人体清除的能力、它的作用方式（表达的蛋白）、给药方式（口服、注射）、药物的生产处理包装流程。同时它作为活细胞药物，还具有一些独特的性质：基因序列和遗传稳定性、基因水平转移的能力、在宿主中复制的能力、在人体中定植的能力与部位、在靶向部位之外的分布。这些都是在开发微生物疗法时需要考虑、表征和改进的地方，根据这些性质的不同，在临床试验中需要关注的问题也各不相同。

a. 微生物疗法需要考虑的问题。基因线路设计：效应分子、基因调控逻辑和启动子选择；底盘生物：微环境、生物分布和动力学、作为药物生产的可行性；人体：剂量和给药方式、生物封存。 b. 微生物药物的开发需要平衡生产上的可行性以及功能上的有效性。

微生物疗法的开发策略

对于药物的有效性表征，生物标记物Biomaker的选择将会起很大的作用。这里的生物标记物是指在环境中能够表征工程微生物活性的物质，比如它们合成的蛋白或者它们的代谢产物。理想的生物标记物有四个特性：

1. 必须与疾病或者细菌的功能有机理上的联系，即必须可以代表微生物疗法的治疗效果；
2. 必须可以通过非侵入性的方式（从尿液、粪便、血浆）采集并检测；
3. 必须与微生物的活性有定量关系；
4. 必须可以与内源分子区分开来。

这样一来，在动物实验以及人体实验中，微生物的活性就很可以容易地被定量表征。

微生物药物的生产过程需要平衡产量、稳定性以及基因线路的表现。还有一个关键问题是经过发酵、下游处理、制剂以及储存之后，工程细菌是否还可以存活、分裂以及正常表达蛋白。此外，生产的规模以及生产过程的遗传稳定性也都需要考虑。

就微生物的制剂方面，把含有工程细菌的液态体系做成固体（比如冻干或者喷雾干燥）要比直接把它们冷冻成冰要更具优势，因为这些固体体系可以在室温下储存。把细菌包封到胶囊里或者水凝胶中也是不错的选择，而且对保持细菌的细胞活性更有利。

参考

1. ^A Coculture Based Tyrosine-Tyrosinase Electrochemical Gene Circuit for Connecting Cellular Communication with Electronic Networks Eric VanArsdale, David Hörnström, Gustav Sjöberg, Ida Järbur, Juliana Pitzer, Gregory F. Payne, Antonius J. A. van Maris, and William E. Bentley ACS Synthetic Biology Article ASAP DOI: 10.1021/acssynbio.9b00469

2. ^Szymanski, E., Calvert, J. Designing with living systems in the synthetic yeast project. Nat Commun 9, 2950 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-05332-z

3. ^Charbonneau, M.R., Isabella, V.M., Li, N. et al. Developing a new class of engineered live bacterial therapeutics to treat human diseases. Nat Commun 11, 1738 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15508-1