合成生物学标志着医学领域一个新时代的开始

合成生物学对医学意味着什么呢？

合成生物学引入模块化的概念。利用更广义的“输入”和“输出”，以DNA为编码原件，根据已有的生物学知识，按照人们的需要，将多个基因或生物分子进行耦合，组装成具有一定功能的生物模块，并最终将多个功能模块耦合成为一个系统，实现自然界中不存在但人类需要的生物学功能。

进而三个不同阶段的推动医学系统思维变革和应用：对医学药物生产的加速、对疾病快速检测的迭代，以及对疾病精准治疗的革新。

1 合成生物学加速药物分子的生产

生物制造药物分子的过程涉及三个关键步骤：底盘细胞的操作和生成、分子合成途径的构建和整合，以及代谢网络中酶的人工调节和增强。

对于细胞工厂中生产特定的药物分子，通常选择“可操作的工程底盘”，突出的例子包括大肠杆菌、酿酒酵母和中国仓鼠卵巢细胞。合成生物学发展大大加速了这一进程，例如构建具有最小化基因组的人工细胞作为更可控的底盘，或将非标准氨基酸纳入代谢重构，以及新酶的实现。已经取得了非常多鲜艳的应用成果。包括实验室规模的大麻素类(Cannabinids)、单萜吲哚生物碱(MIAs)、非天然氨基酸药物，和已形成工厂规模的无定形二烯(Amorphadiene)、皂苷(Ginsenosides)。

2 合成生物学升级疾病诊断

传统的诊断方法，如成像和生化检测，可能无法准确诊断所有类型的疾病，尤其是在早期或症状不典型的疾病。然而，DNA和RNA测序技术的迅速发展，通过患者样本遗传物质的直接提取，精准识别疾病，并根据基因型评估疾病风险。测序技术在病原体诊断中同样表现出搞敏感性和特异性，可以快速检测和完全识别病毒、细菌、真菌和寄生虫。对于存在先验知识的疾病尚且如此，高达60%的传染病病因仍未知。对新兴的、罕见的或具有挑战性的传染病，测序技术提供了传统诊断所没有的巨大优势。

3 合成生物学革新疾病治疗

疾病治疗是医学领域的典型挑战。它需要两个基本步骤来解决人体对疾病的先天反应：精确定位受影响部位和实施有效的治疗。合成生物学的出现使疾病治疗方法发生了彻底的转变。体现了一种可编程设计的范式，这一概念体现在各个阶段，并对不同的细胞内和外源信号作出反应。本综述展望未来，将重点集中在几个开创性的战略上，包括基因编辑、治疗性核酸药物、细胞治疗、基于病毒的疾病治疗、细菌治疗和一些类器官应用。

基因编辑是合成生物学中最强大、最广泛的工具之一，在下一代基因治疗中具有巨大潜力。本综述主要回顾了使用基因编辑工具治疗遗传疾病的进展，主要关注CRISPR-Cas、碱基编辑和引物编辑，以及它们在单核苷酸突变疾病和多基因突变的复杂疾病中的应用。

治疗性核酸是新一代的药物技术，正在成为生物医学领域有前景的候选者。治疗性核酸是具有不同功能的修饰RNA或DNA，在基因水平上治疗疾病，实现持久疗效。已经开发了一些治疗相关的核酸模式，包括DNA疫苗、RNA疫苗和可编程的分子，例如微小RNA(miRNA)、小干扰RNA(siRNA)和反义寡核苷酸(ASO)。这些工具已经获得批准或正在进行临床试验。

从药物或治疗性核酸转变为模块化基因回路，并进一步转变为人工活细胞系统，最终可能扩展到器官和生殖系。这个过程涵盖了合成生物学目前的热点和有前景的重点医学应用，包括用于药物生产的细胞工厂、生物催化、新药发现、用于疾病监测的基因电路、基因编辑和基因组记录，以及活益生菌疗法。某些应用，如商业细胞工厂和CAR-T疗法，已经显著成熟，并引起了热情投资者的关注，而其他应用，如核酸疫苗和病毒载体递送，已经为全球流行病管理做出了重大贡献。合成生物学在医学应用中的开端现在变得势不可挡。曾经被认为无法实现的日益增长的生物医学愿望，现在正通过合成生物学的新前沿来实现。