再創的「聊文章」是一個新的小欄目，主要是和各位讀者一起快速地了解一篇文章，我們通常會在第二部分展示個人的思考。
今天我要和大家分享的一篇文章是近期發表在BioRxiv上的文章「Clinically-driven design of synthetic gene regulatory programs in human cells」，通訊作者是美國波士頓大學的Ahmad Khalil和Wilson Wong。這篇文章的標題直譯過來就是「在人體細胞中進行臨床驅動的合成基因線路設計」。從這篇文章和我的延伸思考中，我們將嘗試回答兩個問題：面向臨床，合成生物學該遵循何種設計原則？
合成生物學設計與應用場景的「兼容性」問題該如何破局？這裡面有個背景要和大家分享一下：幾十年來的生物科學基礎研究，我們已經基本闡明了真核系統轉錄調控的設計原則，並以此建立一些基本的工程生物學元件，比如基於微生物衍生的轉錄因子（TetR，Gal4）和基於病毒衍生的激活因子（VP16，VP64）等人工調節系統。但是現狀卻不盡人意—儘管幾十年來被廣為使用，目前仍沒有基於TetR/tTa的基因開關被臨床批准。
為什麼呢？主要原因是TetR/tTa的表達會觸發非人類靈長類動物的免疫反應，這些非哺乳動物起源的設計帶了較大的臨床障礙。而目前最受歡迎的CRISPR系統也是一樣，Cas9蛋白同樣存在免疫反應，從而為基因編輯療法帶來隱患。
① 臨床驅動的合成生物學設計
那麼如何解決這個問題呢？作者在這篇文章提到的便是「Clinically-driven design」的合成生物學設計，總結起來有以下幾點：
(1) 以人為本（Human-based）— 在可能的情況下優先考慮人源蛋白，最大限度地降低免疫原性的可能性。(2) 正交化（Orthogonal）— 具有可編程、高特異性的元件可最大限度地減少與原生調節系統的交叉幹擾。(3) 可調控性（Regulatable）— 用臨床批准的的小分子(或者內源的生物信號)來控制的系統。(4) 小型化（Compact）— 最小化的設計可以有效地被遞送到人體原代細胞和組織中。
基於以上的原理，作者設計了以下的調控系統synZiFTR，包括由臨床藥物、內源受體或者信號組成的輸入模塊；以內源可編程鋅指蛋白為核心，具有邏輯處理能力的內部信息處理模塊；以治療性功能為主的輸出模塊；
個人認為這套系統的核心在於：Cys2His2 鋅指蛋白。鋅指蛋白的最小結構域大約有30~30個胺基酸，可與3個鹼基對的DNA結合，在人體的轉錄調控系統非常常見。實驗證明鋅指蛋白的免疫原性非常低甚至可以忽略。而其可編程性也為設計正交性、多樣性的調控系統奠定了基礎。這樣的核心元件可以在可編程性和滿足臨床要求中具有較為理想的平衡。
而後的工作也就順理成章了，包括受臨床藥物調控的表達系統設計、以鋅指蛋白可編程為基礎的正交化設計、以正交化系統基礎的多信號邏輯處理設計等等。
作者最後提到：「我們的synZiFTR工具箱提供了一個強大的、具有臨床前景的平臺，通過這個平臺設計定製化的轉錄調控線路，可以賦予哺乳動物細胞更多新的功能。雖然仍有許多開發工作和許多其他臨床考慮因素需要解決，但我們希望這些工具可以將我們在哺乳動物合成生物學方面的快速進展轉化為更安全、有效和強大的下一代細胞療法。」
② 合成生物學如何更好的從實驗室走向實際環境？
這篇文章以臨床目的來驅動合成生物學設計，背後則反映的是合成設計與應用場景的「兼容性」難題。
而「兼容性」問題也限制著合成生物學最重要的兩個底層能力：一個是對於合成設計的預測能力：當對合成生物的DNA進行改變時，如何更好的預測生物的表型變化。實驗室環境與自然環境（如人體、土壤，海水）中的差別巨大，環境穩定性會驟變，這會進一步凸顯可預測能力的缺陷；而另一個關鍵的是用小規模實驗來預測大規模應用的能力。在實際應用中尺度會進一步增加，常見的便是發酵問題，實驗室1升的發酵罐與工廠中幾百噸發酵罐的結果往往千差地別。醫學應用中也是如此，實驗室控制細胞間的相互作用，往往是明確且單數級別的，而在實際的腸道或者腫瘤環境中，這種相互作用的尺度也會成倍的增加，混雜的分子或者受體環境也會使基因線路和蛋白質開關的效果大大折扣。
所以我們應該選擇什麼樣的系統（元件、底盤）來更好的滿足合成生物學從實驗室走向實際環境的應用？
以底盤為例，現有的底盤類型大致可以分為三類，包括完全人工合成的（比如人工組裝的細胞，辛西婭3.0），模式生物底盤的改造（大腸桿菌，酵母），以及Native Species的改造（適應于于特定環境的生物）。
完全人工合成的底盤仍大多處於概念階段。雖然很多工作已經展現了可行性，如在人工組裝的膜結構中整合光合作用或者胰島素表達通路，但是相對來說功能過於單一，在實際應用上還有很長的路要走；
模式生物底盤的改造創造了大多數的現有合成生物學應用，從能源到醫藥，從化工到環境均有應用，但是也面臨著諸多問題，其中最主要的還是這些模式生物在應用場景中的兼容性問題，比如這篇文章提到的免疫原性問題。
所以對Native Species的改造則越來越吸引學術界的關注。
在2016年發表在ACS Synthetic biology上的文章「The Next Generation of Synthetic Biology Chassis: Moving Synthetic Biology from the Laboratory to the Field」也表達了同樣的理念，作者在文中寫道：
「However, the advances over the next 15 years will occur not in laboratory organisms, but in fieldable species where the potential of Synthetic biology can be fully realized in game changing technology.」
以上所指的「fieldable species」與本文的Native Species具體類似的含義，一般指的是在某一生態位佔據主導地位或者適應力非常強的物種。由於長期的進化過程，每種生物在進化上基本達到了一個最優解，已經與自己的生態位高度兼容。如果能夠對這些生物進行改造和設計，則可以極大的減少適配的難題。包括Chris Voigt在內的很多研究學者都在進行相關的工作，如植物共生菌固氮系統的改造（將寄生微生物改為固氮生物，而非將其他固氮生物轉移到植物系統），腸道共生微生物的改造（選擇定植能力更強的腸道共生菌株）。Chris Voigt在2020的一篇Nature Communications的評述中寫道：「…...由於微生物組自身表徵數據缺失、動態變化且生態組成複雜等特點，通過引入新菌株實現對系統的控制極具挑戰性，所以最佳的底盤生物來自於微生物群落本身。從這個角度來看，我們就有了很多潛在的底盤生物來做工程改造：首先微生物組有上千個品種，其次基因改造非底盤細菌的工具也得到了顯著的改進。微流體技術、基因轉化技術以及基因組編輯技術的進步讓我們更容易培養這些環境細菌，同時也可以在基因組上插入大的DNA片段。利用控制論的原理，我們也可以設計生物系統的「虛擬機」，這樣一來，我們便不再需要在新底盤中進行大量調整。利用這些技術，工程化的細菌正在用於提高農作物的產量、防禦害蟲的侵害以及增加耐受性。……」（詳見：再創丨六種正在改變世界的合成生物學產品）
可以預見，在現在的工程生物學階段，在解決於複雜生物場景的問題特別是與醫療和環境相關的應用時，利用Native Species或者更加適應宿主的生物解決問題會更具優勢。這種理念正在逐漸的被大家所接受和傳播。近期在帝國理工學院的一門名為「mini-iGEM」的課程中，我指導的一個項目的項目也用到了類似的思路：大家並沒有選擇大腸桿菌來進行設計，而是利用珊瑚的Native Species—Labrenzia aggragata，一種專門寄生在珊瑚的細菌來解決海水酸化帶來的珊瑚漂白問題。但是正如Chris Voigt所說，改造Native Species的問題在於工具的缺乏。所以我們需要開發更多的研究理念和工具包括適應於不同環境的生物清單、大量的基礎知識積累、合成調控元件的開發、DNA編輯和遞送工具的開發等等，提升我們對於這些natives species的工程設計能力。