组成遗传程序的新平台可以为难治性疾病提供新疗法

图片由西北大学的Joshua Leonard，Hailey Edelstein，Patrick Donahue和Joe Muldoon拍摄。由NIAID / NIH提供的单元格图片，已在Creative Commons 2.0许可下使用和修改。James Hedberg的DNA笔刷，在CC0下使用和修改。

用于在哺乳动物细胞中组成遗传程序的生物学工具包可以帮助实现针对难治性疾病的新疗法。

西北工程公司开发的一种新的合成生物学工具包将帮助研究人员设计具有新功能的哺乳动物细胞。

该工具包称为可组合的哺乳动物转录要素（COMET），包括一组合成的转录因子和启动子，可以以前所未有的方式设计和调整基因表达程序。结果可能是针对难以治疗的疾病（例如癌症）的新疗法。

“我们的长期目标是使生物工程师能够构建可定制的基于细胞的疗法，并将设计目标简化为遗传程序，这需要合适的生物零件。西北部麦考密克工程学院化学与生物工程学副教授乔什·伦纳德（Josh Leonard）说，构建这个COMET工具包是使我们能够真正设计哺乳动物细胞中新功能的重要一步。他还是西北合成生物学中心的成员。

研究结果于2020年2月7日发表在《自然通讯》杂志上。

创造新技术来调整细胞

合成生物学研究人员希望通过改变细胞的DNA来重新编程，以赋予它们新的功能。尽管研究人员已经成功地对细菌细胞的DNA进行了重新编程，以创建新的疗法和化学药品，但由于其复杂的基础生物学，目前哺乳动物细胞的修饰更加困难。

像CRISPR-Cas9这样的强大工具可以编辑这些细胞中的单个基因，但是这些工具不允许研究人员轻易创建更细微的，复杂的功能，而这些功能需要引入并经常对新型遗传网络进行微调。

伦纳德（Leonard）和他的团队对开发基于细胞的疗法感兴趣，例如重新编程的细胞可以在体内发现肿瘤并在疾病部位治疗癌症，但他们意识到他们需要开发一种工具包来构建许多可能最重要的功能。有用。即使在如此复杂的系统中，该领域的最新进展也为鉴定理想的治疗功能铺平了道路，而关键的挑战是弄清楚如何修饰细胞以完成这些任务。

“我们开发的疗法需要复杂的技术，”伦纳德实验室的研究生，该论文的第一作者帕特里克·多纳休（Patrick Donahue）说。“有机会开发一种这样的技术，以扩展我们可以在哺乳动物细胞中实现的功能。因此，当我开始攻读博士学位时，我们坐下来问：“我们希望转录工程工具包具有哪些特性？”

一个新的图书馆来推动这一领域

然后，该小组致力于开发一个启动子和转录因子文库（将DNA复制到RNA中），以实现基因表达的设计和调整。作者对这些组件以及它们如何协同工作进行了表征，以实现基因表达水平的精确调节。他们还开发了解释该系统如何工作的数学模型。

对于合成生物学技术而言，拥有数学模型对于实现可重复使用和可预测的模块是至关重要的，其他研究可以应用和扩展该模块。我们在COMET系统中对这一原理进行了建模。Bagheri是美国西北大学化学与生物工程副教授以及华盛顿西雅图大学的杰出华盛顿研究基金会研究员。

现在，伦纳德（Leonard）和他的团队正在努力使用该平台构建可以执行复杂功能的生物系统，例如直接向肿瘤提供治疗。这涉及对细胞进行编程，以便能够评估其环境以确定组织是否健康或癌变。

该小组的主要任务是使其他小组可以轻松使用这项新技术，以便其他人可以扩展COMET并将其用于跨多个领域的进一步研究。有关bioRxiv的预发表论文已受到广泛关注，其生物学部分将由Addgene作为试剂盒进行分发。

“ COMET将使研究人员能够检验原本无法检验的假设，从而帮助我们建立有用的生物技术，并增进我们对复杂功能（例如免疫功能或发育）的理解。在合成生物学等新兴技术领域，创建技术平台对于激发创新至关重要。我们很高兴看到COMET将为我们的社区下一步做些什么，”伦纳德说。

参考：“ Patrick S. Donahue，Joseph W. Draut，Joseph J. Muldoon，Hailey I. Edelstein，Neda Bagheri和Joshua N. Leonard的“ COMET工具包，用于在哺乳动物细胞中构成可定制的遗传程序”，自然通讯，2020年：
10.1038 / s41467-019-14147-5

这项工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）的国家生物医学成像与生物工程研究所（EB026510）的部分资助。这是美国国立卫生研究院第一个专门支持合成生物学的筹资机制的第一个奖项。