最近几个月，数十名测试对象自愿吞下数十亿个微小的、吞噬毒素的装置，旨在治愈一种使人衰弱的疾病。这些装置并非由金属、电线或塑料等常见的机器部件制成。它们是经过重建的生物体：细菌，从内部到外部都经过重建，以执行一项复杂的医疗护理壮举。
在马萨诸塞州剑桥市生物技术初创公司 Synlogic 工作的研究人员，一直在给患者服用含有数十亿大肠杆菌的饮料的每日剂量。这些种类的微生物通常在我们内脏中熙熙攘攘，偶尔会引起感染，但通常过着无害的生活。这些特殊的大肠杆菌与众不同之处在于，科学家们已经改造了它们 DNA 的片段——遗传指令告诉微生物该做什么——将这些细胞转化为无情地驱动以吞噬患者体内有毒氨负荷的引擎。
这种基于细菌的疗法适用于患有尿素循环障碍 (UCD) 的患者，这是一种肝酶缺乏症，可能会杀死新生儿并使成人患病。他们天生就带有一个缺陷基因，该基因产生有缺陷的酶，无法分解肉类、鸡蛋和奶酪等高蛋白食物中的氮。正常酶将过量的氮转化为一种叫做尿素的化学物质，然后通过尿液排出。但对于那些患有遗传疾病的人来说，过量的氮不会离开身体。相反，它会产生有毒水平的氨，这些氨会在循环血液中积聚，并在到达大脑时造成严重破坏。
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Synlogic 工程改造的细菌将大量吞噬额外的氨。肠道细菌已经摄入少量氨，利用其氮进行生长。来自科学家的改造赋予了微生物一个新的遗传“电路”，这是一系列基因和 DNA 调节位点，例如音量控制和开关，像电子设备中的晶体管一样连接在一起。该电路楔入普通大肠杆菌的基因组中，用超强版本取代了细菌通常缓慢的氨消耗机制，这是一种氨吞噬野兽，当它感知到人类肠道的低氧水平特征时就会启动。
如果 Synlogic 的基因改造细菌能够像在小鼠研究和初步人体试验中那样大量吞噬人体内的氨，那么每天服用细菌混合物直至生命的尽头，可能会使 UCD 患者几乎无症状地生存下来。这种扩增的细菌将治愈一种毁灭性的遗传疾病，在美国每年新增 100 多名患者，目前尚无充分的治疗方法。“我们已经用一种全新的疗法取代了缺失的生理功能，”Synlogic 前首席科学官保罗·米勒说。“这是一种令人惊叹的对抗疾病的强大方法。” Synlogic 正在针对更常见的疾病（如肠易激综合征、炎症和免疫疾病，甚至癌症）设计类似的电路。
与更典型的药物相比，经过改造的细菌具有关键优势，典型的药物是化学丸剂，医生唯一可以改变的是剂量。细菌电路可以轻松微调以提高效力或延长或缩短活动时间，并且可以调低，使其更安全。细菌感知并响应其环境的自然能力也使其具有靶向特异性：它们可以被编程为仅在疾病部位释放治疗物质。这种选择性作用可以避免在全身起作用的药丸的典型副作用。
细菌也可能能够在人体内自我补充，这是药丸无法做到的。它们仍然必须通过安全测试，研究人员承认，他们必须证明其基因增强的细菌不会危险地释放到环境中。美国食品和药物管理局 (FDA) 批准 Synlogic 在 2017 年在人体中尝试该疗法，因为用于 UCD 疗法的大肠杆菌菌株长期以来一直被安全地用作治疗炎症性肠病的口服益生菌。如果人体试验成功，该公司的细菌疗法将代表合成生物学这个相对较新的基因工程分支中出现的首个临床应用。
该领域依赖于 DNA 操作方面的进步，为科学家提供了新的实验室工具，可以将 DNA 片段连接在一起，并产生比简单改变一个基因更强大的效果。“合成生物学现在正在取得一些令人印象深刻的成就，”麻省理工学院医学工程教授、该领域的领先研究员詹姆斯·柯林斯说。例如，人类细胞已经配备了增强的 DNA 电路，以便比糖尿病患者的每日注射更精确地将胰岛素泵入血液。沙门氏菌——与食物中毒爆发相关的细菌——已被重新调整，以潜入癌细胞并卸下有毒药物的货物。DNA 电路方法还可以诊断疾病：波士顿的研究人员最近重新设计了一种微生物，以提醒医生注意住院患者血液中早期败血症感染的发生。现有的检测方法很少能发现问题，直到患者病情严重且难以治疗。
这项新技术有可能不仅对细菌，而且对医学本身都具有变革性。“生物医学正处于医疗保健新革命的风口浪尖，”加州大学旧金山分校系统与合成生物学中心主任温德尔·林说。“微生物和人类细胞正在成为通用的治疗引擎。” 然而，情况并非总是如此乐观。
工程生物学
在过去的 40 年里，科学家们一直使用基因工程来发现和操纵基因，以揭示支配所有生命的复杂机制。但他们对不同部分如何组合在一起并在现实生活中发挥作用的理解是有限的。在试管中看起来不错的东西在真实的细胞或动物中尝试时就会崩溃。当合成生物学开始时，早期有很多炒作，柯林斯承认。但大约从 20 年前开始，他和志同道合的生物学家在 DNA 测序和合成技术的进步的推动下，一直在使用新发现的基因和其他 DNA 元素作为可互换的组件，来设计和构建实际上可以在玻璃器皿外工作的医疗应用。
部分变化来自于具有工程师般修补倾向的科学家。“在过去的几年里，新思想的融合正在推动该领域的发展，”加州大学圣地亚哥分校生物电路研究所联合主任杰夫·黑斯蒂说。黑斯蒂二十多年前以物理学博士学位开始了他的科学职业生涯。他现在半开玩笑地将自己描述为“混合计算/分子生物学家”。合成生物学领域充斥着像黑斯蒂这样的人，他们接受工程师“制造新东西”的倾向，他说。
“正如电气工程师使用导体、电阻器和电容器来创建新的电气设备一样，”柯林斯说，“我们将生物学的组成部分——基因、蛋白质、RNA、转录因子和其他 DNA——组合在一起以创建特定的功能。”
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图片来源：珍·克里斯蒂安森
柯林斯指出，电子设备是理解基因电路的有用模型。以空调恒温器为例。它感应到一个输入——空气温度升高——并以一个输出——打开空调来响应。当空气冷却时，恒温器会关闭机器。细菌等单细胞微生物以类似的方式生存。细菌始终警惕输入，例如竞争性细菌的存在，并通过输出（分泌天然抗生素以杀死敌人）来响应。
合成生物学的电路构建者与直接基因工程师分离，这是柯林斯和另一个研究团队的巧合见解的结果。2000 年，当时在波士顿大学的柯林斯实验室报告制造了一个基因“拨动开关”，这是当年 1 月在《自然》杂志上发表的两个合成基因网络之一。这两份报告（另一份来自普林斯顿大学的一个小组）通常被认为是启动合成生物学的标志，因为它们表明“我们可以像工程师一样，将细胞的各个部分连接在一起以生成新的电路，”柯林斯说。（并非巧合的是，当时他周围都是电路。他经营着一个生物工程实验室，该实验室正在为残疾人设计机械肢体。今天，柯林斯在剑桥地区的三个不同机构的合成生物学机构工作。他已经培养了大约二十几位科学家——其中包括黑斯蒂——他们现在都有了自己的业务。）
在最初的原始 DNA 开关之后的几年里，仍然很小的合成生物学家社区进入了一场“你能超越这个吗”的竞赛，烹饪出越来越复杂的电路，利用细胞的自然感知和响应行为。“随着我们的不断发展，我们比最初意识到的更多地了解到，细胞是多么的通用，”加州大学旧金山分校的林说。他将细胞描述为适应性强的汽车“底盘”，研究人员可以将不同的基因引擎换入其中，以执行治疗功能。
第一个商业应用之一于 2006 年从加州大学伯克利分校的杰伊·基斯林领导的科学家中脱颖而出。在比尔及梅琳达·盖茨基金会 4260 万美元的资助下，基斯林的实验室用实验室设计的电路改造了普通面包酵母的代谢途径，将糖分子转化为制造疟疾药物青蒿素的关键成分。以前，制造该药物的前体分子是从亚洲本土的甜艾蒿植物中手工提取的，这是一个成本高昂的过程，使得该药物在疟疾猖獗的贫困地区使用过于昂贵。“这是一项突破，”柯林斯说。“这是第一次使用基因物质网络，而不仅仅是一个基因，将微生物——酵母——转变为解决重要现实世界问题的方案。”
损坏的电路
但这并没有引发一场革命。大约在那个时候，著名的基因组科学家、加利福尼亚州拉霍亚合成基因组公司的联合创始人 J·克雷格·文特尔加入了合成生物学领域，使这项技术成为第一个公众明星。他广为人知的目标是 2009 年从埃克森美孚获得高达 3 亿美元的投资，目的是用池塘浮渣中的藻类制造汽油。2010 年，基斯林获得了能源部 1.34 亿美元的赠款，用于资助旨在诱导酵母细胞从糖植物中的化学物质合成柴油的研究。在那十年初，基斯林与人在加利福尼亚州埃默里维尔共同创立了生物技术公司 Amyris，以将替代燃料技术商业化。
这两个项目最终都给合成生物学带来了坏名声。四年后，埃克森美孚和文特尔，以及 Amyris，基本上放弃了合成石油项目。与目前低价的石油和天然气相比，扩大商业生产的成本迫使 Amyris 和其他几家微生物生物燃料初创公司暂停了该项目。这些公司对投资者来说是灾难。Amyris 和 2005 年至 2010 年间成立的不同的合成生物技术公司，承诺用细菌制造石油，继续在生物电路设计方面取得显著进展。但他们的新基因电路并没有得到广泛赞誉。相反，这些曾经的合成生物学摇滚明星正在重建微生物，以制造用于制造溶剂和润滑剂的化学品，以及化妆品、香料、洗涤剂和非处方保健产品的主要成分。
虽然华尔街投资者和科学媒体主要关注引人注目的梦想——以及不太理想的清醒现实——用细菌制造生物燃料，但柯林斯和他的同事们却默默无闻地度过了新世纪的头十年，解决了即将到来的下一个技术障碍：更好的医学。经过多年的乏味实验，在 2010 年，柯林斯设计了一种细菌，在实验室测试中，该细菌削弱了耐药细菌的毒性，使其容易受到现有抗生素的影响。
大约在同一时间，蒂姆·卢，另一位柯林斯博士后 protégé（拥有麻省理工学院电气工程和计算机科学博士学位，以及哈佛大学医学学位），将电路嵌入到另一种微生物中，一种感染细菌的病毒。当细菌菌落将自身包围在粘稠的保护性生物膜中时，就会出现某些难以治疗的感染。这些细菌可能已经进化出生物膜来抵御被称为噬菌体的掠夺性病毒。卢在他的病毒电路中设计了一个基因，该基因编码一种生物膜降解酶。卢的电路还对细菌病毒进行编程，使其能够感知生物膜的存在，渗透其防御系统，并通过卸载薄膜破坏酶来做出反应。
卢和柯林斯意识到，完善他们的感染斗士可能需要数年时间。但他们也认为，他们的细菌可能更快地准备好用于另一种商业用途。在 2013 年的一次会议上，卢和柯林斯在剑桥的阿特拉斯风险投资公司的一次生物技术资助人聚会上表示，他们实验室的基因增强微生物可以转化为活体哨兵，能够对人体内的疾病或空气或水中的污染物进行早期检测。
然而，阿特拉斯高管们对另一个相关的想法很感兴趣。他们设想，如果细菌不仅可以作为哨兵，而且可以感知人体肠道内的健康问题，然后产生治疗方法来治疗它，那么就可以获得更大的利润。Synlogic 的想法由此诞生。在 2015 年初，在公司聘请了第一批研究人员大约六个月后，它利用柯林斯和卢的发明创造了 UCD 疗法的早期版本。
“我在制药行业工作了很长时间，我从未见过一种药理学能如此短的时间内从科学家的想法发展到临床测试，”PureTech Health 总裁兼 Synlogic 前高管巴拉特·乔里拉说。
重新利用的部件
该疗法的组成部分是一个特别聪明的电路，该电路是用生物学家在数十年的大肠杆菌研究中发现的遗传部件组装而成的。Synlogic 电路将细菌通常的氨-氮-细胞生长机制转变为生产一种叫做精氨酸的氨基酸的工厂。研究人员选择精氨酸是因为与其他氨基酸相比，其细胞制造需要更多的氮。制造精氨酸的需求使细菌变成了一种氨吞噬生物体，因为它渴望摄取氮。通过将电路嵌入到其基因组中，微生物最终产生的精氨酸比正常菌株的细菌多 5,000 倍，Synlogic 研究人员说。
该电路依赖于一个开关，这是一个对一种叫做 FNR 的蛋白质做出反应的 DNA 序列。像空调中的恒温器一样，FNR 对细菌周围环境的变化很敏感。它使大肠杆菌能够对缺氧环境做出反应。当 FNR 感知到细菌处于低氧环境（如大肠）中时，它会打开微生物茁壮成长所需的基因。当细菌移动到体外时，那里有充足的氧气，FNR 就会沉默。这是一种安全机制，旨在防止具有高生长速率的失控生物体。一旦微生物离开肠道并作为粪便进入我们富含氧气的大气层，整个系统就会关闭，大肠杆菌就会死亡。
不过，Synlogic 的米勒说，有一个问题。大肠杆菌的基因组包含一个“阻遏开关”，一个叫做argR的基因，当它感知到细菌有足够的精氨酸时，它会关闭精氨酸的产生。因此，设计人员需要在他们的新电路中停用argR的机制。Synlogic 研究人员通过敲除围绕并包含argR的长 DNA 序列来实现这一点，并使用几乎相同的 DNA 片段替换，其中argR基因被删除。
几位合成生物学家已经提出了其他遗传电路，用于将抗癌药物输送到肿瘤深处。加州大学圣地亚哥分校的黑斯蒂用一套特殊的遗传指令武装了一种对人类无害的沙门氏菌菌株。黑斯蒂的实验性癌症疗法利用了最近的研究，该研究发现某些细菌经常存在于肿瘤内部。科学家们认为但尚不确定，在血液中自然循环的细菌会被肿瘤吸引，“因为该环境为免疫系统提供了安全的避难所，”黑斯蒂说。
黑斯蒂的遗传程序迫使沙门氏菌执行一个两步过程。该电路被设计为首先在细菌内部制造一种抗癌药物。然后，它指示微生物滑入肿瘤内部，由肿瘤需要营养的血液将其带到那里。在电路指示的时刻，沙门氏菌会自我毁灭。当微生物爆裂时，它会释放出药物有效载荷。“有点像神风特攻队任务，”黑斯蒂说。
在另一个巧妙的设计中，黑斯蒂添加了几个遗传组件，使疗法能够自我更新。“我们向细菌中引入了一种‘群体感应’系统，该系统可以检测到当肿瘤内部繁殖的沙门氏菌达到一定数量时，”他说。当繁殖的微生物达到足够高的密度时，群体感应器会触发一种蛋白质的释放，该蛋白质会从内部切开沙门氏菌，从而溢出抗癌药物。这种自杀行为会杀死大部分但并非全部沙门氏菌。剩余的那些开始再次繁殖，推动循环一遍又一遍地重复。
从内部攻击肿瘤细胞的想法特别有吸引力，因为大多数化疗药物的作用是通过侵蚀癌细胞的外壁。黑斯蒂说，在小鼠研究中，单独给药时，细菌疗法的效果并不比标准化疗好。“但是，当我们将其与化疗结合使用时，我们观察到肿瘤体积减小，并且患有转移性癌症的小鼠的预期寿命增加了 50%，”他指出。
寻求批准
沙门氏菌的工作仍在改进中。Synlogic 的 UCD 疗法进展顺利得多，FDA 对这项涉及基因改造微生物的首个疗法的批准过程正在受到密切关注。该机构已经发布了规则，以监管其称为“活体生物治疗产品”的新类别下的微生物疗法。与其他药物（除了一些疫苗外）不同，新疗法由活着的生物体组成，并且有可能在繁殖时发生变异。因此，FDA 希望确保疗法的成分不会因批次而异。此外，它还希望证明微生物不能像 Synlogic 声称的那样在环境中自行存活。“我们很多人都在关注监管机构如何处理 Synlogic，”黑斯蒂说。“如果他们无法获得疗法批准，我们可能都会遇到麻烦。”
对于改造细胞以检测疾病而不是在人体内产生新化合物的 FDA 审查过程，很可能比医疗治疗的审查过程更快且成本更低。许多新兴的合成生物学项目旨在重新利用细菌来诊断疾病的最早出现。“肠道细菌可以被设计成感知、记住和报告它们在通过肠道时的经历，”哈佛大学系统生物学系创始成员帕梅拉·西尔弗说。西尔弗的实验室创建了一种概念验证诊断工具，该工具由一个基因电路组成，该电路使细菌能够识别小鼠消化系统中抗生素的存在。如果抗生素活性存在，该电路会产生荧光信号，该信号在粪便废物中可见。
“这种合成电路证明了我们构建活体诊断工具的能力——在本例中，是暴露于抗生素，”西尔弗说。最近，她的实验室对一种天然肠道细菌进行编程，以诊断肠道炎症并揭示新的治疗靶点。“人体肠道是一个‘黑暗’的地方——难以探索，但却是影响日常健康和使人衰弱的疾病（炎症是最普遍的疾病之一）的许多活动的场所，”她说。目前消化系统疾病的诊断方法具有侵入性且成本高昂。
西尔弗说，活体诊断工具提供了一种廉价、可能更灵敏的方法。如果它通过审查，则可以添加新功能。“我们还相信，诊断电路可以进一步工程改造，以在炎症部位提供肠道疾病的治疗，”她说。“新电路的力量正在创造各种可能性。”