摘 要:相比傳統(tǒng)的基因工程,無細胞生物技術能夠更加準確的控制,最終產(chǎn)品可以進行大規(guī)模產(chǎn)生。無細胞生物技術意味著沒有任何生物化學過程浪費在運轉、發(fā)展和分裂任何實質細胞上。事實上,科學家們最初的目的就是為制造特定產(chǎn)品尋找最佳基因的一種快速方法。
關鍵字:無細胞生物;創(chuàng)新;生物科技公司
人類的生命物質包裹在一個稱謂“細胞”的微小口袋中。細胞內(nèi)部是DNA分子,攜帶了如何運轉人類細胞的指令,發(fā)展、被激發(fā),最終分裂為兩個細胞。RNA(核糖核酸)——存在細微差別的分子信息,攜帶指令進入稱謂“核糖體”的分子細胞中。一個核糖體的工作是讀取RNA信息,并且將它們轉化為蛋白質。接下來,這些蛋白質會監(jiān)督、執(zhí)行運轉、成長以及分裂的過程。
1 無細胞生物工程的產(chǎn)生
這是自地球上出現(xiàn)生命體的40億年以來,一直完整運轉的一套體系??墒?,對于有些生物技術學家而言,細胞或許只是一頂老舊的帽子。他們認同DNA、RNA、核糖體和蛋白質的配置,它們可以被設計成為有其他用途的化學成分,從醫(yī)藥到建筑塑料模塊。但是科學家們一直試圖,逃脫包裹這些物質的袋子,進入細胞內(nèi)部僅僅留下原漿質“粘液”用于他們的指令。
所以,相比傳統(tǒng)的基因工程帶點來的可能性(甚至像CRISPR-Cas9這樣先進的基因修正技術),無細胞生物技術能夠更加準確的控制。在這里,基因信息是由核糖體(Ribosomes)轉譯,最終產(chǎn)品可以進行大規(guī)模產(chǎn)生。
同樣重要的是,無細胞生物技術意味著沒有任何生物化學過程浪費在運轉、發(fā)展和分裂任何實質細胞上。事實上,科學家們最初的目的就是為制造特定產(chǎn)品尋找最佳基因的一種快速方法。最終,所有努力形成的這樣的成果——無細胞生產(chǎn)將意味著大規(guī)模制造。
2 無細胞原漿的制作過程
無細胞原漿質粘液的制作過程如下:取4公升培養(yǎng)皿的大腸桿菌(大腸細菌深受基因工程學家的偏愛)。壓力作用下,通過微型閥門打開細菌細胞,撕裂細胞膜和DNA,最后釋放核糖體。在37攝氏度下培養(yǎng)得到的混合物一小時,然后激活能吞噬DNA碎片的一種稱為核酸外切的酶。運用離心機,將細胞膜和其他碎屑廢棄物從包含核糖體的粘液中分離出去,分離去除多余的離子。然后,拌入氨基酸(蛋白質)、糖和攜帶能量的三磷酸腺苷(ATP)分子。最后,加入少量進行嘗試,并對產(chǎn)生的蛋白質粘液發(fā)出指令。
這一研究過程,采用的是加州伯克利大學的Synvitrobio公司的研究方法,這是一家加州理工學院的Zachary Sun和Richard Murray以及哈佛大學喬治George Church共同創(chuàng)立的一家公司。運用不同生物體的其他無細胞技術也正在展開實驗,比如,酵母和鏈霉菌就成功進行了實驗。煙草的細胞或是中國倉鼠的卵巢也是進行這個實驗的不錯選擇。在自由懸浮暫停,所有這些公式在隔絕細胞的蛋白制造機制的狀態(tài)之下,將成為變種。
Synvitrobio公司的工程師建立了一種機器人系統(tǒng),融入他們實驗的最后一個階段。這個機器人將精制的原漿細胞打包注入一批384個微型試管中。每一支試管裝有幾百萬升之一的細胞液。然后,將一些DNA分子投入每一個試管,在這些分子信息轉化為蛋白質的過程中,分離出的粘液開始發(fā)揮作用。目前,這個系統(tǒng)能夠為每個試管處理8個DNA序列,這意味著能夠同時處理3072個蛋白質。這樣能夠達到1萬個基因“字母”的長度——這足以編碼任何你能夠注意到的蛋白質分子。
3 無細胞系統(tǒng)的使用情況
現(xiàn)在,Synvitrobio公司正在使用這一系統(tǒng)測試DNA序列,測試它能否值得作為抗生素考察。通過黏合到生物學上重要的分子,并且以傷害部分生物體的方式改變分子特性,才能讓藥物開始發(fā)揮效用。為了尋找這樣的黏合,每一個迷你試管同時裝備了一些特定的分子,每一個附上“報道者”標簽的分子,當黏合發(fā)生就會發(fā)出光亮。那些閃爍的試管標志著,其中一組或多組的DNA序列值得研究者注意。所以,Synvitrobio公司的技術能夠以新DNA序列特定的速度,掃描出潛在的藥物。
按需人工合成新的基因序列是現(xiàn)在國際通行的技術,這意味著全球的基因庫可以如候選人一樣被爭奪?;虮粴埲膛でY選,直到最好的基因出現(xiàn)。而此刻重點在于,如果當Synvitrobio公司將新發(fā)現(xiàn)的分子,以傳統(tǒng)科技黏合進合適的細胞內(nèi),在發(fā)酵罐中培養(yǎng)這些細胞,就如同釀造啤酒的過程一樣,這相比簡單將它們投入粘液中要消耗更多的時間。
靠近美國舊金山的SutroBiopharma生物制藥公司,已經(jīng)使用了無細胞系統(tǒng)生產(chǎn)抗癌的抗體。今年月,Sutro公司宣布運用這套系統(tǒng)生產(chǎn)阻止腫瘤擴散的STRO-001抗體,并計劃在2018年開始臨床試驗STRO-001抗體。用于試驗的無細胞抗體即將開始生產(chǎn)??贵w是特殊的蛋白質,所以一旦Sutro公司的系統(tǒng)鑒定出最佳的“候選人”,所有需要的工作就是編碼“候選人”的DNA粘液。
Genomatica是一家位于圣地亞哥的生物科技公司,現(xiàn)在正在試驗利用無細胞系統(tǒng),從單糖中獲取1:4-丁二醇。1:4-丁二醇是一種用于制造聚合物(比如萊卡)的小分子。一般來說,相比生物科技,從化學過程中提煉這種尺寸分子的成本更低,而1,4-丁二醇恰恰是一個例外。
Genomatica公司的系統(tǒng)在合成過程中大量生產(chǎn)出關聯(lián)的酶,產(chǎn)生一個完整的無細胞代謝途徑——就是所有糖可以專注用于特定的化學物質,而不是為了謀取最大利益,運轉一個細胞的其他生化過程。目前,這家公司還沒有將系統(tǒng)用于商業(yè)使用,而對于它賦予更高的期望。
美國馬塞諸塞州的綠燈生物科技公司,同樣計劃根據(jù)大腸桿菌,運用無細胞系統(tǒng)生產(chǎn)不易消化的核糖類似物——一種自然形成的糖,可應用于零卡路里的飲料中。而借助于基因修改過的大腸桿菌已經(jīng)應用于工業(yè)生產(chǎn)。這家公司表示,他們對這套系統(tǒng)的熟練操作已經(jīng)達到一定高度,能夠每次生產(chǎn)數(shù)千公升的糖溶液。
與此同時,綠燈公司用無細胞系統(tǒng),生產(chǎn)工業(yè)定制量產(chǎn)的RNA分子,阻止昆蟲幼蟲發(fā)展,可以用做殺蟲劑?,F(xiàn)在,RNA生產(chǎn)的成本是每克5000美元。綠燈公司認為,擴大生產(chǎn)過程,成本能夠降低50-100美元。
無論無細胞生物科技,能否通過制造化學物質的基因修正技術,來取代發(fā)酵技術,這還有待時間檢驗。自從12000年前啤酒杯發(fā)明以來,發(fā)酵就成為一種經(jīng)過人類考驗值得信任的技術。
然而,剝離生物分子,直至剩下最后裸露的本質,同時也是最具效率的部分,至少對于一些應用而言,生物細胞的功效能夠被充分發(fā)揮。
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作者簡介
王麗娟(1995-),女,漢族,河北唐山人,本科生在讀,現(xiàn)就讀于河北大學生命科學學院,生物工程專業(yè)。endprint