A sejtmentes szintetikus biológia nagykorúvá válik

A sejtmentes rendszerek drámai hatást gyakorolhatnak a társadalomra, a környezettől az orvostudományon át az oktatásig

Ha a Northwestern Engineering Michael Jewettjét kérdezi, a sejtmentes génexpresszió lehetősége mindig is értelmet nyert. Szakítsa le a sejt falát, gyűjtse össze a belsejét, és tanítsa meg a sejtkatalizátort új típusú molekulák és biológiai folyamatok előállítására az ép élő sejtek evolúciós korlátai nélkül.

De kevesebb mint 20 évvel ezelőtt a szintetikus biológia ezen növekvő területe még mindig sokat bizonyított.

"Az emberek azt hitték, hogy őrültek vagyunk" - mondta Jewett, a McCormick Mérnöki Iskola vegyész- és biotechnológiai professzora. "Amikor végzős hallgató voltam, a fehérjeterápia elkészítésének gondolata annyira homályos volt. Legjobb esetben ez valami nem volt elég költséghatékony ahhoz, hogy hasznos legyen, vagy a rendszer nem fog elég fehérjét termelni bármi érdemlegeset megtenni. "

A Nature Reviews Genetics folyóiratban november 29-én megjelent áttekintő cikkben Jewett, az északnyugati szintetikus biológiai központ igazgatója feltárja, hogyan fejlődött a sejtmentes technika egy speciális kutatási eszközből a szintetikus biológia számos alkalmazásának gerincévé. hogy drámai módon befolyásolja a társadalmat, a környezettől az orvostudományon át az oktatásig.

A szintetikus biológia széles körű érdeklődést vált ki. "A kereskedelmi iparok felbukkannak e technológiák körül. A támogató ügynökségek látják a jelentőségét" - mondta. "Elérkezett a cellamentes rendszerek ideje. Most van."

Műszaki reneszánsz

Míg a sejtmentes génexpressziót több mint 50 éve használják kutatási eszközként, transzformációs potenciálját számos korlát korlátozza, ideértve az alacsony és változó fehérjeszintézis-hozamokat, a rövid reakcióidőket és a kicsi reakcióskálát. A kutatók azon kétségek ellen is küzdöttek, hogy a sejteken belüli reakciókörnyezet ellenőrzése elérhetetlen marad.

Az elmúlt 20 évben azonban a szintetikus biológia kutatói fokozatosan lehúzták a sejtmentes génexpresszió lehetőségeinek függönyét, új felismeréseket tártak fel a laboratóriumban, amelyek új hatékonysághoz és alkalmazásokhoz vezettek rajta kívül - a bioszenzoroktól a mérésig és a monitorozásig a természeti erőforrásokban lévő környezeti szennyeződések a betegségek kezelésére szolgáló célzott terápiákig.

Jewett és munkatársai például nemrégiben kifejlesztettek egy nagy hozamú, egycserépes sejtmentes fehérjeszintézis platformot, amely egy Escherichia coli genomilag újraszerkesztett törzséből származik. A rendszert nemcsak arra optimalizálták, hogy a fehérje eddigi legnagyobb szakaszos reakció expressziójának termelését hozza létre, hanem a platform nem kanonikus aminosavakkal is képes fehérjéket készíteni, kibővítve a fehérjék számára a genetikailag kódolt kémiai anyagokat, és megnyitva az ajtót új típusú fehérjék létrehozására. enzimek, anyagok és terápiák.

"Azzal a platformmal, amely lehetővé teszi a magas szintű génexpressziót egy edényes használatban, a folyamat sokkal demokratikusabbá válik" - mondta Jewett. "Ez izgalmas, mert remélhetőleg megkönnyíti más laboratóriumok számára a sejtmentes génexpressziós rendszerek használatát."

Északnyugati az élen

Amint a sejttől mentes szintetikus biológia jelentősége növekszik, ugyanígy az északnyugati szintetikus biológiai központ is. A központ 2016-ban indult, hogy összefogja a terület legfényesebb elméit, és támogató ökoszisztémát biztosítson a kutatás és az oktatás számára. A központ gyorsan a cellamentes rendszerek kutatásának és a technológiai fejlesztés vezetőjének bizonyult.

"A központ szervesen a szintetikus biológia egyik vezető központjává nőtte ki magát az Egyesült Államokban és talán a világban is" - mondta Jewett, Charles Deering McCormick, a kiválóság tanításának professzora. "Amint csapatunk összeállt, olyan kutatási témákon gondolkodtunk, amelyek nemcsak összekapcsolnak minket, hanem északnyugati helyzetet is különös erősségűnek tekintik - és kialakultak a cellamentes rendszerek."

A központ oktatóinak legújabb fejleményei még tovább vezették a cellamentes mérnöki lehetőségeket. Jewett és Milan Mrksich, Henry Wade Rogers orvosbiológiai professzor például együttműködtek az enzimek gyors előállítására és reakcióik elemzésére szolgáló módszer kidolgozásában. A rendszer, amely ötvözi Jewett sejtmentes fehérjeszintézis technológiáját Mrksich SAMDI tömegspektrometriás platformjával, segít a szintetikus biológusoknak, hogy minden eddiginél gyorsabban tervezzenek összetettebb molekulákat.

Neha Kamat, az orvosbiológiai mérnöki adjunktus a közelmúltban bemutatta az első olyan esetet, amikor a sejt nélküli rendszerek szelektíven hajtották végre a lipid nanorészecskék fúzióját - ami a gyógyszerszállítás új hordozója - megnyitva kaput az új és összetett típusú biokémiai reakciók felé . Danielle Tullman-Ercek, a vegyi és biológiai mérnöki docens új szabályokat tár fel a mikrokomplexum-rendszerek, például a vírusok működését illetően, amelyek edényként szolgálhatnak a sejttől mentes rendszerekből származó fehérjeterápiáknak a test megcélzott helyeihez. Joshua Leonard, a vegyi és biológiai mérnöki docens a szintetikus biológia és a rendszerbiológia interfészét tanulmányozza a tervezés-vezérelt orvoslás elérése érdekében. Ez év elején a hatodik nemzetközi emlősök szintetikus biológiai műhelyének volt az elnöke.

A központ munkája érinti az indítási helyet is. Stemloop Julius Lucks kémiai és biológiai mérnöki docens laboratóriumából született. A vállalat alkalmazza Lucks kutatási küldetését annak megértésére, hogy a sejtes rendszerek hogyan érzékelik és reagálnak a környezetükre egy olyan technológiai platform révén, amely a környezeti vízminőség-ellenőrzésre összpontosít. Jewett nemrégiben elindította a SwiftScale Biologics-ot is, amely sejtmentes rendszerek segítségével igyekszik felgyorsítani a gyógyszer piacra jutását.

A Sherlock Biosciences, amelyet a Szintetikus Biológiai Központ tanácsadó testületének tagja, James Collins indított, mérnöki biológiai platformokat használ jobb, gyorsabb és megfizethetőbb orvosi diagnosztikai tesztek létrehozásához.

"A technológia készen áll a laboratóriumon kívüli alkalmazásra a társadalmi kérdések kezelésére, és olyan vállalatok jelennek meg, amelyek tisztességesen megrendítik őket a piacon" - mondta Jewett. "Amit az emberek egykor teljesen lehetetlennek gondoltak, az a lehető legnagyobbnak bizonyul."

Pillantás az elkövetkezendőkre

A következő évtized még nagyobb mérföldköveket fog fogadni, részben a növekvő kutatási együttműködéseknek köszönhetően - mondta Jewett.

A Northwestern a tiszta energiával működő LanzaTech és az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriummal dolgozik egy többéves projekten, amelyet az Energiaügyi Minisztérium támogat a fenntartható üzemanyagok előállítása érdekében a szént metabolizáló baktérium klosztridiumok kihasználására. Jewett és laboratóriuma, Keith Tyo, a vegyi és biológiai mérnöki docens, valamint Linda Broadbelt, Sarah Rebecca Roland kémiai és biológiai mérnöki professzor csatlakozásával, számítógépes tervezési algoritmusokat és sejtmentes technikát alkalmazva prototípusozza a potenciális bioszintetikus utak ezreit. olyan tervek, amelyek optimalizálhatják a clostridia bioüzemanyag-termelését.

"Mi szükséges a LanzaTech mérnöki munkájához és teszteléséhez, laborunk a napok alatt képes megtenni, a sejt nélküli rendszereknek köszönhetően" - mondta Jewett.

Jewett a szintetikus biológiai oktatás kiterjesztését is elképzeli a középiskolai és a középiskolai tantermek tapasztalati tanulási lehetőségein keresztül. A világ több száz iskolája be akarja építeni a BioBits oktatási készletekből álló csomagot - amelyet az MIT és a Harvard Wyss Intézete együttműködésében fejlesztettek ki - a természettudományi tantervekbe. Az interaktív készletek, amelyeket ma Evanston és Chicago tucatjai tucatjaiban használnak, felkészítik a hallgatókat szintetikus és molekuláris biológiai kísérletek elvégzésére víz és egyszerű reagensek hozzáadásával a fagyasztva szárított sejtmentes reakciókhoz.

"Kritikus fontosságú, hogy képzési lehetőségeket nyújtsunk a hallgatóknak, ezért izgatottan várják a feltörekvő biogazdaság támogatását és hozzájárulását" - mondta.

És mi van az első FDA által jóváhagyott terápiával, amelyet sejtrendszer támogat? Ahogy a vállalatok javítják a mérnöki fehérjék termelésének méretezésének képességét, Jewett abban reménykedik, hogy a tervezett terápiák klinikákra költöznek.

"Az FDA által jóváhagyott termék minden bizonnyal vízválasztó pillanat lesz" - mondta. "És hiszem, hogy a következő évtizedben jön."