合成生物学

　　生物计算机是指能够执行类似计算机操作的工程化生物系统，这是合成生物学中的主导范例。研究人员在许多有机体中建立并表征了各种逻辑门，并在活细胞中演示了模拟和数字计算。他们证明细菌可以被设计来进行模拟和/或数字计算。 2007年的一项关于人类细胞的研究展示了在哺乳动物细胞中运行的通用逻辑评估器。随后，研究人员在2011年利用这一范例展示了一种概念验证疗法，该疗法使用生物数字计算来检测和杀死人类癌细胞。另一组研究人员在2016年，另一组研究人员证明了计算机工程原理可以用于细菌细胞中数字电路设计的自动化。2017年，研究人员展示了“通过DNA切除实现布尔逻辑和算术”系统，以在人类细胞中进行数字计算。

　　生物传感器是指一种工程生物，通常是一种细菌，它能够报告一些环境现象，如重金属或毒素的存在。像这样的一个系统是费氏阿利维布里奥（Aliivibrio fischeri）的Lux操纵子，它编码的酶是使细菌生物发光的来源，并可置于应答启动子之后，以响应特定的环境刺激表达发光基因。一种这样的传感器由光敏计算机芯片上的生物发光细菌涂层组成，用于检测某些石油污染物。当细菌感应到污染物时，就会发光。

　　经过修饰的生物体可以感知环境信号，并发送输出信号，这些信号可以被检测到并用于诊断目的。目前已经被使用的是微生物群。

　　细胞利用相互作用的基因和蛋白质（称为基因回路）来实现不同的功能，如对环境信号的反应、决策和交流。这涉及三个关键组成部分：DNA、RNA和合成生物学家设计的基因回路，可以从几个层面控制基因表达，包括转录、转录后和翻译水平。

　　传统的代谢工程得到了外来基因组合的引入和定向进化优化的支持。这包括用于抗疟疾药物青蒿素前体商业生产的工程大肠杆菌和酵母。

　　尽管活细胞可以用新的DNA转化，但整个生物体还没有从头开始创造。有几种方法可以构建合成的DNA成分，甚至整个合成的基因组，但是一旦获得了所需的遗传密码，它就被整合到一个活细胞中，这个活细胞有望在繁盛的同时表现出所需的新能力或新表型。细胞转化被用来创造生物回路，这些回路可以被操纵以产生期望的输出。

　　通过将合成生物学与材料科学相结合，有可能利用细胞作为微观分子基础来生产具有遗传编码特性的材料。重新工程化已经生产了Curli纤维（生物膜胞外物质的淀粉样成分）作为可编程纳米材料的平台。这些纳米纤维是为特定功能而遗传构建的，包括对基底的粘附、纳米粒子模板和蛋白质固定。

　　天然蛋白质可以被改造，例如，通过定向进化，可以产生与现有蛋白质的功能相匹配或改进的新蛋白质结构。其中一研究组产生了一个螺旋束，与血红蛋白性质相似，它能够结合氧，但不结合一氧化碳。一个类似的蛋白质结构也被制造出来以支持多种氧化还原酶活性。另一研究组产生了一个G蛋白偶联受体家族，这些受体可以被惰性小分子氯氮平-氮氧化物激活，但对天然配体乙酰胆碱不敏感。也可以使用计算机方法来设计新功能或蛋白质的特异性。一项研究能够使用两种不同的计算机方法——生物信息学和分子建模方法来挖掘序列数据库，以及计算机酶学设计方法来重新编程酶特异性。这两种方法都产生了符合设计的酶，其对从糖生产长链醇的特异性超过100倍。

　　另一个流行的研究是20个氨基酸的自然集合的扩展。除了终止密码子，已经鉴定出61个密码子，但是在所有生物体中通常只有20个氨基酸被编码。某些密码子可以被设计成编码替代氨基酸，包括：非标准氨基酸，如邻甲基酪氨酸；或外源氨基酸如4-氟苯丙氨酸。通常情况下这些项目利用了来自其他生物体的重新编码的无意义抑制剂tRNA-氨酰tRNA合成酶对，尽管这在大多数情况下需要很大的工程量。

　　其他研究人员通过减少正常的20个氨基酸来研究蛋白质的结构和功能。有限的蛋白质序列库是通过产生蛋白质来构建的，其中一组氨基酸可以被单个的氨基酸替代。例如，蛋白质中的几个非极性氨基酸都可以用一个单一的非极性氨基酸来代替。一项研究表明，当仅使用9个氨基酸时，工程版本的分支酸变位酶仍然具有催化活性。

　　研究人员和公司利用合成生物学来合成具有高活性、最佳产量和有效性的工业酶。这些合成酶旨在改善洗涤剂和无乳糖乳制品等产品，并使它们更具费用效率。通过合成生物学改进代谢工程，是工业中用于发现药物和发酵化学品的生物技术的一个例子。合成生物学可以研究生化生产中的模块化途径系统，提高代谢生产的产量。人工酶活性和随后对代谢反应速率和产量的影响可能会发展出“改善细胞特性的有效新策略……以用于工业上重要的生化生产”。

　　科学家可以将数字信息编码到一段合成的DNA上。2012年，乔治·米·丘奇将他的一本关于合成生物学的书编码在DNA上。5.3兆字节的数据比之前合成的DNA中存储的最大信息量大1000多倍。一个类似的项目将威廉·莎士比亚的全部十四行诗编码在了DNA上。

　　许多技术已经被开发，用于在体外和体内将非天然核苷酸和氨基酸整合到核酸和蛋白质中。例如，在2014年5月，研究人员宣布他们已经成功地将两种新的人工核苷酸引入细菌的DNA。通过在培养基中加入单个人工核苷酸，他们能够和细菌交换24次；他们没有产生能够使用人工核苷酸的mRNA或蛋白质。

　　合成生物学引起了美国国家航空航天局的兴趣，因为它可以帮助从地球发送的有限化合物中为宇航员生产资源。 特别是在火星上，合成生物学可能用于基于当地资源的生产过程，使其成为发展对地球依赖性较小的载人前哨基地的有力工具。

　　合成生物学中的一个重要课题是合成生命，它是关于由生物分子及其组成材料在体外创造的假想生物。合成生命实验试图探索生命的起源，研究生命的某些特性，或者更雄心勃勃地从非生物成分中再造生命。合成生命生物学试图创造能够执行重要功能（从制造药物到净化受污染的土地和水）的生物体。在医学领域，它为使用设计好的生物部件作为新型治疗和诊断工具的起点提供了前景。

　　活的“人造细胞”被定义为一种完全合成的细胞，它能够捕获能量、维持离子梯度、包含大分子以及储存信息并具有突变能力。目前还没有人能够创造这样一个细胞。

　　克雷格·文特尔（Craig Venter）在2010年制造了一条完全合成的细菌染色体，他的团队将它引入到基因上清空的细菌宿主细胞中。 宿主细胞能够生长和复制。

　　2014年，首个具有“人工”扩展DNA编码的活生物体问世；该小组使用了大肠杆菌，提取了它的基因组，并用具有扩展遗传密码的染色体代替。加入的核苷是d5SICS和dNaM。

　　2019年5月，研究人员在一次里程碑意义的研究中，报告了一种新的合成（可能是人工的）活生命形式的诞生，这是大肠杆菌的一个变种，它通过将细菌基因组中的密码子由自然存在的64个减少到59个，来编码20个氨基酸。

　　基于工程菌的平台

　　细菌长期以来被用于癌症治疗。双歧杆菌和梭状芽孢杆菌选择性地定居于肿瘤并减小其大小。最近，合成生物学家对细菌进行了重新编程，以感知和应对特定的癌症状态。大多数情况下，细菌被用于将治疗分子直接递送到肿瘤中，以最小化脱靶效应。为了靶向肿瘤细胞，在细菌表面表达能够特异性识别肿瘤的肽。所用的肽包括特异性靶向人表皮生长因子受体2的附着体分子和合成粘附素。另一种方法是通过在细菌中建立一个“与”逻辑门来让细菌感知肿瘤微环境，例如缺氧。然后，细菌仅通过裂解或细菌分泌系统向肿瘤释放靶向治疗分子。裂解的优点是它能刺激免疫系统和控制生长。也可以使用多种类型的分泌系统以及其他策略。该系统可由外部信号诱导。诱导剂包括化学物质、电磁波或光波。

　　在这些疗法中，应用了多种物种和菌株。最常用的细菌是鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、双歧杆菌、链球菌、乳杆菌、李斯特菌和枯草芽孢杆菌。每一个物种都有自己的特性，并且在组织定居、与免疫系统的相互作用和易于应用方面对癌症治疗是独特的。

　　基于细胞的平台

　　免疫系统在癌症中起着重要作用，可以用来攻击癌细胞。基于细胞的治疗侧重于免疫治疗，主要是通过工程化的T细胞。

　　T细胞受体被工程化和“训练”来检测癌症表位。嵌合抗原受体（CAR）由融合到细胞内T细胞信号域的抗体片段组成，该信号域可以激活和触发细胞增殖。美国食品和药物管理局批准了第二代CAR疗法。

　　基因开关旨在提高治疗的安全性。如果病人表现出严重的副作用，“杀死”开关可以终止治疗。这些机制可以更精细地控制系统并停止和重新激活它。由于T细胞的数量对治疗的持久性和效果很重要，因此也需要控制T细胞的生长，以衡量治疗的有效性和安全性。

　　虽然有几种机制可以提高安全性和控制力，但其局限性包括难以将大的DNA回路引入细胞，以及将外源成分（尤其是蛋白质）引入细胞的相关风险。