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最新综述长文:合成生物学应用趋势

摘要:合成生物学工具和技术的最新发展推动了用于人类健康、农业、环境管理和其他目的的各种产品的商业化。 本文回顾了合成生物学应用的一些趋势以及实现这些和未来进展的一些工具。 这些工具和能力正在快速变化的行业中发展,这可能会对进展的速度和方向产生影响。 最终产品受到监管框架的制约,该框架受到这个生物技术新时代的节奏、规模和新颖性的挑战。 本文包括对这些因素的讨论,以及它们如何影响产品设计以及最有可能支持和商业化的应用类型。 最后一节提供了对这些进展的安全影响的观点,特别是美国的利益。

合成生物学包括各种方法和策略,为生物学带来工程学思维。近年来,合成生物学工具和应用迅速扩展,除了生命科学的基本发现之外,还产生了各种产品和平台。 创新的范围、复杂性和创新速度已经挑战了政策制定者,无论是在新产品的监管方面,还是在解决潜在的技术滥用方面。目前概述的合成生物学的许多趋势都受到美国政府政策的影响。

应用产生经济影响
这里讨论的应用是那些近期有重大利益和经济投资的应用,特别是在美国。 这些包括人类细胞中的基因组编辑、植物基因组编辑,生物传感器和代谢工程。 还提到了公司和他们预期的一些产品。许多(尽管不是全部)这些应用的关键推动因素是基于CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)基因组编辑的出现,该编辑在2012年首次报导。这一节仅讨论了基于CRISPR的第一代产品; 以下部分将考虑更新的进展以及基于CRISPR的应用的一些可能方向。

人体细胞中的基因组编辑
通过遗传学治疗人类疾病的一直是CRISPR投资的关键驱动因素。一些寻求基于CRISPR治疗的公司已经筹集了10美元到100亿美元的资金,包括CRISPR Therapeutics,Editas Medicine和Caribou Biosciences。基于CRISPR的基因组编辑治疗顽固性遗传性血液病镰刀细胞性贫血和β型地中海贫血的临床试验今年在美国和欧洲开始。使用早期基因组编辑技术(锌指核酸酶)的人类基因组编辑也已进入临床试验,包括来自Sangamo Therapeutics的针对HIV的研究性治疗和另一种针对遗传代谢紊乱的研究性治疗。据报道,中国在测试基于CRISPR的人类干预方面远远领先于美国。这些最近的进展和投资可能只是遗传病和癌症治疗中基因组编辑的长期趋势的开始。然而,这些干预措施面临着类似于传统基因治疗的重大挑战,包括组织特异性递送,患者中潜在的免疫原性反应以及促进癌症的可能性。迄今为止,美国食品和药物管理局(FDA)仅批准了几种基因疗法,但预计未来几年将批准更多基因疗法。

CRISPR工具开发的进展可能会增加基因组编辑的成功和应用空间。例如,发现和设计新的CRISPR核酸酶以具有更少的脱靶编辑并且允许更容易的包装用于组织特异性递送。最近,CRISPR核酸酶被设计用于编辑DNA的单个碱基而不引起DNA双链断裂,因此避免了一些细胞免疫应答,而另一个工程化的CRISPR核酸酶靶向RNA而不是DNA。基于这些能力的Beam Therapeutics公司已经获得了大量投资。尽管CRISPR技术取得了许多进展,但使用特定基因编辑蛋白的知识产权争议推迟了一些投资,但这一争议最近得到了解决。

基因组编辑的植物
农业是美国最大的生物技术部门之一,年收入达数十亿美元。基于CRISPR的工具,而不是传统的转基因工具,可以生产出不受美国部门监管的产品。农业部(USDA)有可能在全球范围内进行更广泛的营销。因此,主要种子公司已经在CRISPR基因组编辑中进行了大量投资,包括用于新的基于CRISPR的编辑技术。

基于CRISPR的植物基因组编辑扩大了植物工程的可能性,包括植物品种以及在这些植物中表达的性状,尽管植物的转化(即将DNA掺入植物基因组中)仍然是关键的瓶颈。虽然传统的农业生物技术专注于商品作物,如玉米和大豆,其特性主要对农民有益,但CRISPR可以推出更广泛的产品,例如具有更长保质期的甜草莓和低筋小麦。使用较旧技术进行基因组编辑,转录激活因子样效应核酸酶(TALENs)已被Calyxt公司用于生产生产更健康油的大豆,而这些大豆已经进入市场。

生物传感器
基于合成DNA回路或基于CRISPR的生物传感器正在开发中,生物医学应用的传感器一路领先。用于疾病检测的无细胞基于CRISPR的系统已经商业化。 Mammoth Biosciences最近推出,基于Doudna实验室开发的DETECTR(DNA核酸内切酶靶向CRISPR Trans报告系统)技术,提供各种病原体的即时检测和家庭检测(小编:事实上,上海吐露港公司更早发现和研发该技术,并拥有独家专利,称为HOLMES技术)。另一种名为SHERLOCK的CRISPR的检测系统也可检测感兴趣的基因序列,并已发展成基于纸张的诊断工具。这些生物传感器将在准确性,低成本和易用性方面展开竞争,并可能对450亿美元的体外诊断市场产生重大影响。它们代表了第一代基于CRISPR的传感器;随着新工具的快速发展,改进版本可能会推向市场。

开发不基于CRISPR的生物传感器也正在开发中,包括植入皮下检测癌症的基于细胞的“生物医学纹身”,以及将微生物传感与电子设备相结合以监测肠道健康的可密封胶囊。未来的生物传感器可能被用于除生物医学诊断之外的各种目的 – 例如,检测食物污染的无细胞传感器和检测地雷的荧光细菌。使用生物工程开发的先进材料和涂层还可以提供传感器和治疗组件的扩展使用和包装。在未来,植物也可以被设计为生物传感器,以实时感知和报告各种化合物或条件,例如检测爆炸物的炸弹嗅探植物。

代谢工程
代谢工程是一种在广泛的经济领域产生重大影响的领域。它涉及“有目的地改变代谢、基因调控和信号传导网络,以实现所需化学品的增产”。例如,Ginkgo Bioworks是一家代谢工程公司,最近价值超过10亿美元。它设计用于各种目的的有机体,包括用于化妆品和个人护理产品的香料的生产、植物中的固氮、用于治疗目的的大麻素和人体肠道中的代谢功能。其他开发代谢工程平台的产品公司包括Zymergen,Amyris和较小的初创企业,如Arzeda,其使用专有的生物信息资源设计蛋白质,以及Lumen Bioscience,已开发出蓝细菌作为底盘用于蛋白质生产。代谢工程也被成熟的公司所采用,包括DowDupont,BASF和Exxon等跨国公司,这些公司专注于生产特种化学品和生物燃料等商品化学品。

未来应用的工具技术
除了实现新的科学发现和应用外,合成生物学工具还可加速产品的成功开发。本节描述的工具在成本、能力和潜力方面不断改进,强调了合成生物学发展的迭代性质。一个关键的行业趋势是过去15年来合成DNA成本迅速大幅下降。其他长期趋势包括改进生物信息学能力和开发潜在开放释放应用的微生物。基于CRISPR的工具和基因驱动的开发是最近的趋势,并且正在快速发展。除了开发已经出现的产品外,这些工具还将成为生命科学基础研究的重大加速,这将成为未来生物技术的基础。这些工具如何与不同的应用领域相关,如图1所示。

DNA合成
由于技术的进步和对合成DNA需求的增加,DNA合成继续变得更便宜和更有效,包括生物应用和DNA用于信息存储的潜在用途。特别是代谢工程公司从这一趋势中受益,这加速了设计构建 – 测试周期。去年,Ginkgo Bioworks收购了DNA合成公司Gen9,并最近与Twist Biosciences签署了一项协议,提供10亿个DNA碱基对,这证明了代谢工程与合成DNA之间的密切联系。除了改进的合成之外,方法也在不断改进将DNA组装成更大的构建体,包括整个基因组的组装。未来的微生物可以设计做到按现场和按需生产化学品作为生物材料,如蜘蛛丝,或作为电子元件。

生物信息学
新的生物信息学工具和资源正在快速发展。一些资源已经存在数十年,例如由NIH托管的DNA序列数据库GenBank,它免费提供并广泛使用。包括基因组、转录组、蛋白质组、代谢组、表观基因组和微生物组在内的许多数据库正在开发中,包括追求人类治疗和农业应用的公司,以及理解和可视化这些数据的工具。

最近,随着对基因工程的理解的深入,正在开发用于构建和优化的遗传途径的生物信息学工具。例如,具有简单接口的Autodesk Genetic Constructor和用于自动遗传电路设计的软件程序Cello。代谢工程公司也在推动生物信息学的发展,包括人工智能与序列数据库的整合(尽管这种整合是否会产生重大进展还有待观察)。模块化蛋白质的设计工具,如初创公司Serotiny的Pinecone。对于基于CRISPR的基因组编辑,有许多用于开发引导RNA的在线工具,最近的进展可以更好地预测脱靶活性。

生物信息学也在推动新型潜在治疗方法的识别和表达。对代谢途径的理解的进展使得寻求新疗法的公司能够计算出用于基因簇的基因组数据库,这些基因簇可能产生未被发现的生物活性化合物。在遗传易处理的生物体中表达这些新鉴定的基因簇的进展有助于支持这些努力。

能够在复杂环境中生存的微生物
迄今为止,几乎所有涉及工程微生物的应用,包括上述大多数代谢工程的努力,都使用在生物反应器中生长的良好驯化生物,例如细菌大肠杆菌和酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。这些工程菌株在自然环境中发现的复杂微生物群落中不能很好地存活。目前正努力使这些传统微生物更加稳健,以便它们可用于开放式释放应用,如生物修复、环境传感和新型涂层和材料。开发用于开放环境的代谢工程底盘的光合微藻也正在开发中,并且CRISPR可能促进这种发展。

天然存在的微生物在各种环境中可正常生长,但使用非传统且通常不可培养的微生物作为工程底盘仍然是有挑战的,尽管至少有一家公司(Microbyre)已成立,以帮助满足这一需求。最近的进展已经扩展了非传统微生物的知识,包括单细胞测序、用于表征基因表达的无细胞方法,以及用于理解如何培养这些微生物的改进方法。此外,多个研究小组已经证明,基于CRISPR的工具可以更容易地设计棘手的微生物。所有这些进步将支持将更多种微生物用于合成生物学应用,并将扩展可以使用它们的环境类型。有文章已经讨论了可能的环境暴露合成生物学应用,对环境的后果和监管程序。

CRISPR功能的进展
近年来,随着出版物、引文和专利申请,基于CRISPR的工具的使用急剧增加。不断开发基于CRISPR的基础研究能力,包括在酵母中快速、多重诱变的方法和报告细胞内部状态的工具,如CAMERA(CRISPR介导的模拟多事件记录装置)和CRISPR基因组基因座成像。在植物中,CRISPR也能够快速生产突变菌株,加快对植物基因组学的理解,并支持植物品种的商业开发。

许多正在进行的研究都集中在改进和扩展CRISPR作为工具。 CRISPR工具的特异性 – 即它们在适当的位点切割DNA同时限制脱靶切割的能力 – 是一个关注的领域,其中一组展示了核酸酶Cas9的进化的,大大改进的变体。还开发了用于替代DNA碱基对而不完全切割DNA的CRISPR碱基编辑,并且它已被许可用于植物和治疗中的商业应用。使用CRISPR靶向RNA而不是DNA的工具同样已经开始商业化。这些使用CRISPR控制基因表达的方法正在扩大,并且正在进行大量投资以推进这些工具,特别是用于治疗目的。 CRISPR也正在开发作为解决微生物抗性的工具。

使用CRISPR作为人类治疗剂仍然存在重大障碍,包括组织特异性递送的挑战。迄今为止的大多数应用通过编辑从体内移除并替换(例如,造血干细胞或循环免疫细胞)或易得(例如,眼睛中的细胞)的细胞的基因组来解决该问题。除了更小且更容易运输的新版本的CRISPR核酸酶之外,也在开发一系列新的载体和方法用于组织特异性递送基因组编辑构建体,包括脂质、纳米颗粒囊泡和其他递送方法,例如电穿孔。美国国立卫生研究院最近启动了一项1.9亿美元的计划来应对这些挑战。

基因驱动(gene drive)
基因驱动是一种方法,使得工程改造的特性优先在有性繁殖生物的后代中遗传。具有基因驱动的生物体与其野生物种交配并以有偏向的方式传递工程性状,从而将这些性状“驱动”到整个群体中。基于CRISPR的基因驱动已经在果蝇和蚊子中得到证实,几乎所有的后代都遗传了工程改造性状,而在小鼠中效率较低些。这些技术有可能用于广泛的目的,包括消灭携带疟疾、寨卡病毒和登革热的蚊子等疾病载体,以及威胁农业或生态系统的害虫物种,例如破坏樱桃的果蝇和濒临灭绝的鸟类的侵入性老鼠。克服人口对基因驱动的抵抗力以及更好地控制其地理和时间范围的方法是活跃的研究领域。科学家们还在努力开发“替代”驱动器,通过改变目标人群的特征而不是消除它 – 例如,使蚊子无法传播疟疾。

基因驱动因其巨大的潜在利益而引起了各方兴趣,当然也存在不确定的环境风险。他们将面临相当大的监管挑战,因为它们旨在与自然环境相互作用,目前还不清楚公众如何看待这项技术。人们普遍认为,这些问题而不是实验室的进步将成为最终测试和使用该技术的关键瓶颈。目前仍在制定关于如何测试这些生物的安全性和有效性,进行环境评估以及确保产品开发者在重大测试推进之前获得社区授权的指导。

工业和监管
产业结构的动态变化以及对生物技术产品的监管将影响产品的商业化程度。特别是基因组编辑引发了对美国和国际上生物技术监管的质疑。越来越多的潜在产品的数量、复杂性和范围,以及在环境中的预期持久性,也将对监管框架提出挑战。除了监管之外,某些类型的生物技术可能在公众接受方面面临重大障碍,这可能会限制其应用。

产业结构,监管挑战
合成生物学产业正在逐渐成熟,并且越来越多的特征在为越来越广泛的参与者提供平台。小公司、实验室、甚至自己动手(DIY)的业余爱好者都可以获得廉价的合成DNA,生物信息资源、代谢工程、定制蛋白质和化学品生产以及实验室机器人。此外,合成生物公司的数量和投资额也在急剧增加。随着这些变化,预计该行业将生产各种各样的工程生物和其他产品,这些产品将挑战监管框架。监管系统如何适应将在产品设计和开发中发挥关键作用。

这个新行业还需要一种新的生物安全和生物防御方法。目前,对合成生物学研究企业的监督机制很少,美国政府的许多要求与联邦政府资助有关。该行业的一项关键政策是美国卫生与人类服务部(HHS)发布的筛查框架指南,该指南为DNA合成公司提供筛选客户和有序DNA序列的框架,以确保只有合法客户才能获得那些具有与危险病原体DNA相匹配的序列。该指南在行业内得到了相当好的采用,特别是国际基因合成联盟的成员,但仍然存在挑战,包括DNA合成成本的下降。此外,DNA合成公司的直接客户越来越多地在向DNA的最终用户发送构建体之前提供增值DNA构建物,生物体或服务。这使得DNA合成公司越来越重视经过验证的最终用户而非直接客户,但这种安排的安全性和可持续性尚不清楚。“筛选框架指南”的充分性和可持续性得到了充分讨论,随着DNA合成市场的不断扩大和多样化,可能会出现新的挑战。

基因组编辑的新规范范式
对人类、植物和动物进行基因组编辑已经在美国和国际范围内引起了重大的监管问题。在美国,迄今为止,用于人类治疗目的的基因组编辑仅限于体细胞应用,同时仍在讨论与种系基因组编辑相关的伦理挑战。 FDA不会考虑涉及胚胎或种系细胞基因组编辑的治疗,联邦资助也不会支持此类研究。中国的限制较少,并且已迅速推进基于CRISPR的体细胞治疗,尤其是癌症治疗,中国科学家第一个试验CRISPR胚胎基因组编辑。

在中国以外,基因组编辑技术已在英国和美国的人类胚胎中使用(因为美国禁止联邦资助此类工作,这项工作是私下资助的)。虽然涉及人类种系编辑的研究有限,但非人类哺乳动物种系细胞中基于CRISPR的编辑正在迅速发展,包括在实验室小鼠和家畜中。

用于农业植物的基因组编辑正在蓬勃发展,已经进行了大量的经济投资。这些技术在美国的主要推动因素是,许多产品不属于美国农业部的监管范围,因为它们与通过传统育种技术衍生的植物“无法区分”。这些产品将避免许多与监管审查相关的开发成本,这可能是巨大的成本。为人类或动物消费而种植的植物可能仍然受到FDA对转基因食品的约束,但FDA尚未就此发布指导。EPA关于农药的规则仍适用于基因组编辑旨在作为杀虫剂的情况,尽管许多新的应用不包括这种特性。在动物中,基因组编辑目前是一个小的商业利基,只有一种产品接近商业化(来自Recombinetics的无角牛)。然而,还有更多的产品正在开发中,包括仅限雄性的牛、抗病的猪、适合移植的人源化器官的猪等。

这些产品主要集中在这些动物的种系编辑上,但也讨论了一些体细胞应用,例如基因治疗或宠物避孕。关于如何对种系编辑的动物进行管制,目前存在很大的不确定性。美国食品和药物管理局的指导目前表明,FDA将对其动物药品管理部门编辑的任何动物进行监管,最近FDA专员斯科特·戈特利布(Scott Gottlieb)重申了对该问题的立场。然而,FDA正面临着扭转这一指导的压力,特别是在美国农业部的立场中,基因组编辑的植物与传统培育的植物难以区分。 FDA之前已经使用其自由裁量权来减少低风险生物技术(如Glofish)的监管负担,但目前尚不清楚这种自由裁量权是否以及如何适用于基因组编辑的动物。 FDA目前正致力于解决与基因组编辑相关的监管问题。如何解决这些监管问题将影响投资额和将要采用的产品类型。关于基因组编辑的植物和动物的监管问题也正在国际背景下考虑。欧盟法院最近决定基因组编辑的生物符合转基因生物(GMOs)的定义,因此属于转基因生物特有的严格法规,但目前尚不清楚每个国家将如何执行该裁决。这一决定在非洲和世界其他地区也可能具有影响力,这些决定往往取决于欧洲的领先地位,尽管有人提出基因组编辑可能是非洲有机会将限制性转基因生物规则置于其后的想法。在中国,也有迹象表明,基因组编辑可能为产品开发人员提供了一个寻找各种工程植物和动物的新机会,这将转变为对传统农业生物技术的更为谨慎的立场。鉴于转基因作物每年对美国公司的收入超过1000亿美元,这些监管决定将对投资和贸易产生重大影响。

监管环境应用中的挑战
新一代生物技术中的许多合成生物学产品将有意或可能暴露于自然环境,美国的监管机构将难以评估和减轻其影响。特别是,解决在环境中持续存在或与本地物种有预期相互作用的应用(如基因驱动和其他类型的环境应用)将是一项挑战。在美国,这一挑战更加复杂的是,生物技术监管机构与土地管理和环境机构之间的互动有限。尽管在这些方面取得了一些进展,但密切协调对于现场测试和潜在释放至关重要。这些技术的国际传播可能带来更大的挑战,涉及来自多个国家的监管系统以及特定于转基因生物跨境流动的国际协定。

公众认知
公众对合成生物学的接受及其许多应用对于长期采用这些技术至关重要,从人类基因组编辑到农业应用,再到环境中工程生物的使用。人类种系的基因组编辑引起了重大的伦理问题,并且在进行任何此类编辑之前,有人呼吁就该议题进行公开辩论,以及讨论适应公众意见的最佳方式。来自世界各地的科学领导人进行开会,以最好地确保负责任地用这些技术。对于许多合成生物学从业者来说,先前生物技术产品的争议提供了一个警示性的作用,并且已经要求提高透明度和公众参与新应用的开发。例如,对于基因驱动技术,美国国家科学院和国际组织已经建立了呼吁公众参与的指导,由研究资助者加强,并由该领域的领导者跟进。公众认知也可能受到基因驱动研究的重要非传统支持的影响,例如,来自非营利组织比尔和梅林达盖茨基金会和保护组织。

基因组编辑的植物将在围绕老一代转基因作物的争议背景下发展,这些作物主要是由于反对大型工业农业企业,这些企业出售的农作物具有对生产者有益的特性,而不一定是最终消费者。大公司将继续采用基因组编辑技术来提高作物产量和营养需求,但也可能允许小公司开发具有更广泛特性的作物,这可能有助于改变公众的看法。美国和其他地方的监管机构认为基因组编辑的植物与非工程化的品种无法区分,这也可能对公众舆论产生影响。许多产品开发商希望这些新工厂比传统的基因工程设备更有利,并且有迹象表明它们可能是正确的。

安全意义
合成生物学工具和应用的开发和商业化将对美国的国家安全产生重大影响。最直接的是,美国军队和平民人口将从这些技术的可用性中受益,这些技术具有健康、环境、农业和其他益处。尽管某些部门可能出现竞争和贸易问题,但美国也有望在经济上受益。同时,这些能力的进步和传播可能会增加意外或故意滥用的风险。

支持美国的军事利益
美国军方将受益于未来几年可能出现的各种合成生物产品。其中包括有助于保护作战人员的应用,例如医疗对策、生物传感器作为廉价诊断,先进的保护材料,以及消除有害疾病传播媒介的工程生物;申请支持美国和国外的军事土地,如生物传感器和生物修复技术,以检测和消除危害和污染物和可以改善军事行动的应用,例如先进的涂层和结构材料,在现场前沿情况下提供监视和意识的生物传感器,以及在现场有效生产燃料和其他必要材料的生物。许多这些技术的开发得到了国防部(DoD)的支持并非巧合。

经济影响
合成生物学产品的商业机会刚刚开始实现,虽然难以量化,但对美国的经济影响可能很大,但美国并不是唯一从事技术开发的国家。特别是中国已迅速推进人类治疗方法的基因组编辑,使人们相信中国可能会在这一生物医学领域超越美国。这种情况会产生超出经济竞争力的影响;该领域的领导者还将确定未来的研究轨迹,并为科学的实施方式制定道德和安全标准。中国在专注于遗传数据美国公司的投资活动可能会加剧安全问题,人类基因组序列的安全措施不足可能为恶意行为者提供漏洞。这些发展促使人们呼吁改善“网络安全”,以更好地保护这些遗传资源,这对于基因治疗(以及传统药物)的进步及其经济效益至关重要。在人类基因组编辑之外,合成生物学也具有重要的经济意义。在国家层面,对合成生物学能力的投资,包括农业和工业生物技术,在美国,中国和英国都很重要,并且正在新加坡等其他国家扩展。贸易也可能受到影响,特别是基因组编辑的出现,这对当前的监管框架提出了挑战,并且可能同样需要对贸易体制进行一些调整,因为他们很难确定基因组编辑的生物是否“喜欢”非工程品种。

生物安全,意外释放
合成生物学工具和技术使得更多的基因工程改造,比以前更快产生意想不到的后果。这可能导致代谢工程的生物安全问题,例如,通过非预期的毒性代谢物或化合物的产生。在发现新疗法和生物活性化合物的实验室可能需要特别谨慎。改变哺乳动物DNA的CRISPR构建体也可能对实验室工作人员构成危害,特别是当它们与能够在体内递送CRISPR的载体一起使用时。

对于病原体研究,过去十年来全世界高级别BSL-4实验室的数量有所增加,包括中国、印度和马来西亚,这引起了一些生物安全问题。这种扩张主要是由对自然发生的传染病的兴趣所驱动,但合成生物学工具和技术可能促进病原体的基础研究,以了解生理学,细菌学和病毒学。

合成生物学产品的潜在环境影响主要通过遵守实验室生物安全指南和监管监督来实现,尽管旨在与环境相互作用的产品构成了特定的监管挑战,如上所述。模型表明,在引入少数个体后,某些类型的基因驱动生物可能在野生种群中广泛传播其工程性状,因此意外释放可能会产生重大影响。该领域的科学家警告说,这种释放可能会损害公众对该技术的看法,即使生态和健康影响微乎其微,他们已采取措施防止意外释放。然而,随着基因驱动技术的广泛开发,特别是在国际环境中,偶然或过早释放的可能性可能会增加。

故意滥用工具和应用
上述许多工具都有可能被想要故意造成伤害的个人,团体或国家滥用。合成生物学时代的长期危害是合成病原体基因组并使其具有传染性的潜力。随着合成DNA变得更容易获得,这个过程变得更加合理(例如,已经证明了与天花有关的病毒horsepox的合成),并且监督变得更具挑战性。在未来,合成生物学努力扩大可培养和用于工程的生物类型也可能被滥用。尽管遗传工程病原体的幽灵已经捕获了想象力,但构建一种比自然界中发现的更为危险的传染因子仍然非常困难。此外,这种代理人的研究,开发和测试可能需要大量资源才能引起注意(尽管国家赞助的努力可能隐藏在合法研究中)。主要在美国,正在不断努力提高科学界的认识,并实施政策以减轻与危险病原体研究相关的风险。由于邪恶行为者开发一种新型病原体很可能建立在合法研究人员的研究结果之上,因此一直在讨论如何解决与这些研究人员传播信息和数据相关的风险。在病原体发展之外,代谢工程和先进的筛选方法也有可能被滥用,特别是有兴趣生产有毒化合物或非法药物的团体。正在开发的用于发现新型药物化合物的各种工具也可能被误用。例如,阿片类药物代谢工程的最新进展可能会提高医疗用酵母生产的效率,但也可能引起具有犯罪意图的群体和个人的兴趣。日益复杂的生物信息资源和工具的可用性可以促进这些行动者的活动。

一再提出滥用CRISPR和其他基因组编辑工具用于恶意目的的可能性。其用于开发新型感染因子的潜在用途仍不清楚,但随着基因治疗的挑战被克服(特别是体内有效递送),滥用CRISPR编辑人类基因组的可能性可能会增加。已经有一个DIY生物清单器为自我改进目的注入了自己的CRISPR构建体,显示出反复无常和不安全使用的可能性。如果基于CRISPR的基因疗法工具变得更加精细和可靠,那么可能会有更多DIY和未经批准的用途。最近国家科学院关于人类基因组编辑的研究发现,用于治疗目的的人种系编辑可能在道德上是合理的,但用于增强的种系编辑是有问题的。即便如此,有些人可能会认为这种编辑是可取的。由于FDA目前不接受人类种系编辑应用,因此在美国没有商业化进行这种编辑的工具,但是已经进行了涉及人类胚胎的研究,并且其他哺乳动物的潜在相关工具和能力正在迅速发展。目前尚不清楚未经批准的基因组编辑将如何或在何种程度上进行,这些风险可能取决于基于CRISPR的疗法尚未实现的承诺以及它们如何被公众所感知。

结论
合成生物学应用和工具的发展正在迅速加速,每一项进展都促进了下一代发现和产品的发展。那些开发商业产品的人依赖于这些科学发现和技术进步,但也要考虑监管问题和公众认知,这些问题会影响成功的产品类型。这些问题对于旨在与自然环境相互作用的合成生物学技术以及用于人类,动物和植物的基因组编辑技术尤为突出。寻求理解这些技术含义的决策者同样需要研究他们的商业驱动因素,以便更好地了解未来的科学方向和新产品。合成生物学进步的安全影响是多种多样的,包括军队的利益以及经济利益的风险,无意识的生物安全和环境风险,以及未经批准和邪恶的滥用的可能性。美国政策发展的缓慢过程与这个行业的步伐,规模和新颖性无法相提并论。但是,凭借一些远见和战略思想,政策制定者可以做好准备,应对这些技术带来的挑战。

原文:Carter S R, Warner C M. Trends in Synthetic Biology Applications, Tools, Industry, and Oversight and Their Security Implications[J]. Health security, 2018, 16(5): 320-333.

作者: ToloBiotech

上海吐露港生物科技有限公司(Tolo Biotech.)致力于科研和工业用酶的研发,并面向科研工作者提供各类技术服务。我们将以精益求精的精神来确保产品的质量和服务的专业!希望我们的努力能够获得您的信任和支持!



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