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Science:新方法极大地延长细菌抗癌基因回路的功能性寿命
[ 来源:   发布日期:2019-09-19 11:25:36  责任编辑:  浏览次 ]

在一项新的研究中,来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种方法,可以显著延长用于引导微生物发挥功能---比如产生和运送药物、分解化学物和充当环境传感器---的基因回路(gene circuit)的寿命。相关研究结果发表在2019年9月6日的Science期刊上,论文标题为“Rock-paper-scissors: Engineered population dynamics increase genetic stability”。


图片来自University of California San Diego / Michael Liao。


由于各种突变,合成生物学家插入到微生物中的大多数基因回路在一段时间后(通常是几天到几周)完全从微生物中停止或消失。但是,这些研究人员证实,他们能让基因回路保持更长时间。


这种方法的关键是这些研究人员能够完全用另一个携带基因回路的大肠杆菌亚群替换一个携带基因回路的大肠杆菌亚群,从而在保持基因回路运行的同时重置突变时钟。


论文通讯作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程与生物学教授Jeff Hasty说,“我们证实我们可以在不参与对抗进化的情况下稳定基因回路。一旦我们停止在单个细胞水平上对抗进化,我们就会发现我们能够让代谢昂贵的基因回路运行我们想要的时间。”


加州大学圣地亚哥分校的研究人员在这项新的研究中使用的基因回路是他们和其他人正在积极用来开发新型癌症疗法的基因回路。


论文第一作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程博士生Michael Liao说,“作为合成生物学家,我们的目标是开发基因回路,以便让我们能够利用微生物进行广泛的应用。然而,目前的现实是我们插入微生物中的基因回路容易因进化而失效。无论是几天,几周,还是几个月,即使采用最好的回路稳定方法,这也只是时间问题。一旦你的基因回路失去了功能,除了重新开始之外没有什么可做的。我们的研究表明不仅在理论上,而且在实践中,还有另一条前进的道路。我们发现有可能阻止破坏基因回路的突变。我们找到了一种持续对突变时钟进行重置的方法。”


如果这些研究人员的方法可以针对生物系统进行优化,那么对于许多领域而言可能意义重大,包括癌症治疗,生物修复以及有用蛋白质和化学成分的生物生产。

石头剪刀布

为了实际构建突变时钟的“重置按钮(reset button)”,这些研究人员专注于细菌菌株之间的动态变化,而不是试图在单个细胞水平上保持选择性压力。他们使用三个带有“石头剪刀布(rock-paper-scissors)”动力系统的大肠杆菌亚群演示了他们的社区级工程系统。这意味着“石头”菌株能够杀死“剪刀”菌株,但不会被“布”菌株杀死。

大多数已发表的研究倾向于关注在单细胞水平上起作用的稳定策略。虽然这些方法中的一些在给定的治疗背景下可能是足够的,但是进化决定了单细胞方法自然会在某些时候停止工作。然而,鉴于石头剪刀布(rock-paper-scissors, RPS)稳定在社区层面起作用,它还可以与任何在单个细胞水平上起作用的系统结合,从而极大地延长其寿命。

制造癌症药物并将它们递送到肿瘤中

2016年,在Nature期刊上,由Hasty领导的加州大学圣地亚哥分校的研究人员和麻省理工学院的同事们一起描述了一种“同步裂解回路(synchronized lysis circuit)”,可用于递送由在肿瘤内部和周围积聚的细菌产生的致癌药物。这导致圣地亚哥分校的研究人员将重点放在同步裂解平台上,并利用这种平台开展发表在Science期刊上的实验。

由于“群体感应”功能也融入了基因回路,只有当细胞达到预定的密度时,这些协同裂解才会发生。在裂解之后,大约10%没有裂解的细菌群体又开始生长。当细菌群体密度再次达到预定的密度(更多的“群体感应”)时,另一次药物递送裂解被触发,由这些研究人员开发的同步裂解回路编码的过程重新启动。

然而,挑战在于这种杀死癌症的基因回路---以及合成生物学家构建的其他基因回路---最终会在细菌中停止发挥作用。罪魁祸首是由进化过程驱动的突变。

Hasty说,“事实上,一些细菌在肿瘤中自然生长,我们可以设计它们来在体内产生和递送药物,这将改变合成生物学的游戏规则。尽管仍然还需开展更多的研究,但是我们发现我们能够交换细菌群体,并且保持基因回路运行。对合成生物学而言,这是一大进步。”

生物医学研究进展

一个致力于进一步推进和实施同步裂解回路的研究团队由现任哥伦比亚大学教授的Tal Danino负责。作为他在加州大学圣地亚哥分校的博士学位的一部分,他发表了关于合成生物学群体感应的开创性工作。 


Hasty说,“Tal近期发现同步裂解技术可用于对小鼠肿瘤进行免疫治疗。据我所知,他们是第一个证实在受到治疗的肿瘤内部的细菌药物产生和递送可以改变免疫系统,使得它攻击未被治疗的肿瘤。这些结果令人着迷。他们也强调了如何使裂解回路尽可能长时间地运行对我们来说是多么重要。”


目前的方法不限于这种三菌株系统。比如,各个细菌亚群可以各自经编程后产生不同的药物,从而有潜力利用精确组合药物疗法治疗癌症。

这些研究人员使用微流体装置研究了细菌群体的动态变化,从而允许控制细菌亚群之间的相互作用。他们还证实了在较大的孔中进行测试时,这个系统是稳健的。

下一步将是将这种方法与标准稳定方法相结合,并证实这个系统在活体动物模型中也是有效的。

Hasty说,“我们正在集中精力构建一种极其稳定的药物递送平台,它对细菌疗法具有广泛的适用性。”


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