最近幾個月，數十名測試物件自願吞下數十億個微小的、吞噬毒素的裝置，旨在治癒一種使人衰弱的疾病。這些裝置並非由金屬、電線或塑膠等常見的機器部件製成。它們是經過重建的生物體：細菌，從內部到外部都經過重建，以執行一項複雜的醫療護理壯舉。
在馬薩諸塞州劍橋市生物技術初創公司 Synlogic 工作的研究人員，一直在給患者服用含有數十億大腸桿菌的飲料的每日劑量。這些種類的微生物通常在我們內臟中熙熙攘攘，偶爾會引起感染，但通常過著無害的生活。這些特殊的大腸桿菌與眾不同之處在於，科學家們已經改造了它們 DNA 的片段——遺傳指令告訴微生物該做什麼——將這些細胞轉化為無情地驅動以吞噬患者體內有毒氨負荷的引擎。
這種基於細菌的療法適用於患有尿素迴圈障礙 (UCD) 的患者，這是一種肝酶缺乏症，可能會殺死新生兒並使成人患病。他們天生就帶有一個缺陷基因，該基因產生有缺陷的酶，無法分解肉類、雞蛋和乳酪等高蛋白食物中的氮。正常酶將過量的氮轉化為一種叫做尿素的化學物質，然後透過尿液排出。但對於那些患有遺傳疾病的人來說，過量的氮不會離開身體。相反，它會產生有毒水平的氨，這些氨會在迴圈血液中積聚，並在到達大腦時造成嚴重破壞。
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Synlogic 工程改造的細菌將大量吞噬額外的氨。腸道細菌已經攝入少量氨，利用其氮進行生長。來自科學家的改造賦予了微生物一個新的遺傳“電路”，這是一系列基因和 DNA 調節位點，例如音量控制和開關，像電子裝置中的電晶體一樣連線在一起。該電路楔入普通大腸桿菌的基因組中，用超強版本取代了細菌通常緩慢的氨消耗機制，這是一種氨吞噬野獸，當它感知到人類腸道的低氧水平特徵時就會啟動。
如果 Synlogic 的基因改造細菌能夠像在小鼠研究和初步人體試驗中那樣大量吞噬人體內的氨，那麼每天服用細菌混合物直至生命的盡頭，可能會使 UCD 患者幾乎無症狀地生存下來。這種擴增的細菌將治癒一種毀滅性的遺傳疾病，在美國每年新增 100 多名患者，目前尚無充分的治療方法。“我們已經用一種全新的療法取代了缺失的生理功能，”Synlogic 前首席科學官保羅·米勒說。“這是一種令人驚歎的對抗疾病的強大方法。” Synlogic 正在針對更常見的疾病（如腸易激綜合徵、炎症和免疫疾病，甚至癌症）設計類似的電路。
與更典型的藥物相比，經過改造的細菌具有關鍵優勢，典型的藥物是化學丸劑，醫生唯一可以改變的是劑量。細菌電路可以輕鬆微調以提高效力或延長或縮短活動時間，並且可以調低，使其更安全。細菌感知並響應其環境的自然能力也使其具有靶向特異性：它們可以被程式設計為僅在疾病部位釋放治療物質。這種選擇性作用可以避免在全身起作用的藥丸的典型副作用。
細菌也可能能夠在人體內自我補充，這是藥丸無法做到的。它們仍然必須透過安全測試，研究人員承認，他們必須證明其基因增強的細菌不會危險地釋放到環境中。美國食品和藥物管理局 (FDA) 批准 Synlogic 在 2017 年在人體中嘗試該療法，因為用於 UCD 療法的大腸桿菌菌株長期以來一直被安全地用作治療炎症性腸病的口服益生菌。如果人體試驗成功，該公司的細菌療法將代表合成生物學這個相對較新的基因工程分支中出現的首個臨床應用。
該領域依賴於 DNA 操作方面的進步，為科學家提供了新的實驗室工具，可以將 DNA 片段連線在一起，併產生比簡單改變一個基因更強大的效果。“合成生物學現在正在取得一些令人印象深刻的成就，”麻省理工學院醫學工程教授、該領域的領先研究員詹姆斯·柯林斯說。例如，人類細胞已經配備了增強的 DNA 電路，以便比糖尿病患者的每日注射更精確地將胰島素泵入血液。沙門氏菌——與食物中毒爆發相關的細菌——已被重新調整，以潛入癌細胞並卸下有毒藥物的貨物。DNA 電路方法還可以診斷疾病：波士頓的研究人員最近重新設計了一種微生物，以提醒醫生注意住院患者血液中早期敗血症感染的發生。現有的檢測方法很少能發現問題，直到患者病情嚴重且難以治療。
這項新技術有可能不僅對細菌，而且對醫學本身都具有變革性。“生物醫學正處於醫療保健新革命的風口浪尖，”加州大學舊金山分校系統與合成生物學中心主任溫德爾·林說。“微生物和人類細胞正在成為通用的治療引擎。” 然而，情況並非總是如此樂觀。
工程生物學
在過去的 40 年裡，科學家們一直使用基因工程來發現和操縱基因，以揭示支配所有生命的複雜機制。但他們對不同部分如何組合在一起並在現實生活中發揮作用的理解是有限的。在試管中看起來不錯的東西在真實的細胞或動物中嘗試時就會崩潰。當合成生物學開始時，早期有很多炒作，柯林斯承認。但大約從 20 年前開始，他和志同道合的生物學家在 DNA 測序和合成技術的進步的推動下，一直在使用新發現的基因和其他 DNA 元素作為可互換的元件，來設計和構建實際上可以在玻璃器皿外工作的醫療應用。
部分變化來自於具有工程師般修補傾向的科學家。“在過去的幾年裡，新思想的融合正在推動該領域的發展，”加州大學聖地亞哥分校生物電路研究所聯合主任傑夫·黑斯蒂說。黑斯蒂二十多年前以物理學博士學位開始了他的科學職業生涯。他現在半開玩笑地將自己描述為“混合計算/分子生物學家”。合成生物學領域充斥著像黑斯蒂這樣的人，他們接受工程師“製造新東西”的傾向，他說。
“正如電氣工程師使用導體、電阻器和電容器來建立新的電氣裝置一樣，”柯林斯說，“我們將生物學的組成部分——基因、蛋白質、RNA、轉錄因子和其他 DNA——組合在一起以建立特定的功能。”
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圖片來源：珍·克里斯蒂安森
柯林斯指出，電子裝置是理解基因電路的有用模型。以空調恆溫器為例。它感應到一個輸入——空氣溫度升高——並以一個輸出——開啟空調來響應。當空氣冷卻時，恆溫器會關閉機器。細菌等單細胞微生物以類似的方式生存。細菌始終警惕輸入，例如競爭性細菌的存在，並透過輸出（分泌天然抗生素以殺死敵人）來響應。
合成生物學的電路構建者與直接基因工程師分離，這是柯林斯和另一個研究團隊的巧合見解的結果。2000 年，當時在波士頓大學的柯林斯實驗室報告製造了一個基因“撥動開關”，這是當年 1 月在《自然》雜誌上發表的兩個合成基因網路之一。這兩份報告（另一份來自普林斯頓大學的一個小組）通常被認為是啟動合成生物學的標誌，因為它們表明“我們可以像工程師一樣，將細胞的各個部分連線在一起以生成新的電路，”柯林斯說。（並非巧合的是，當時他周圍都是電路。他經營著一個生物工程實驗室，該實驗室正在為殘疾人設計機械肢體。今天，柯林斯在劍橋地區的三個不同機構的合成生物學機構工作。他已經培養了大約二十幾位科學家——其中包括黑斯蒂——他們現在都有了自己的業務。）
在最初的原始 DNA 開關之後的幾年裡，仍然很小的合成生物學家社群進入了一場“你能超越這個嗎”的競賽，烹飪出越來越複雜的電路，利用細胞的自然感知和響應行為。“隨著我們的不斷發展，我們比最初意識到的更多地瞭解到，細胞是多麼的通用，”加州大學舊金山分校的林說。他將細胞描述為適應性強的汽車“底盤”，研究人員可以將不同的基因引擎換入其中，以執行治療功能。
第一個商業應用之一於 2006 年從加州大學伯克利分校的傑伊·基斯林領導的科學家中脫穎而出。在比爾及梅琳達·蓋茨基金會 4260 萬美元的資助下，基斯林的實驗室用實驗室設計的電路改造了普通麵包酵母的代謝途徑，將糖分子轉化為製造瘧疾藥物青蒿素的關鍵成分。以前，製造該藥物的前體分子是從亞洲本土的甜艾蒿植物中手工提取的，這是一個成本高昂的過程，使得該藥物在瘧疾猖獗的貧困地區使用過於昂貴。“這是一項突破，”柯林斯說。“這是第一次使用基因物質網路，而不僅僅是一個基因，將微生物——酵母——轉變為解決重要現實世界問題的方案。”
損壞的電路
但這並沒有引發一場革命。大約在那個時候，著名的基因組科學家、加利福尼亞州拉霍亞合成基因組公司的聯合創始人 J·克雷格·文特爾加入了合成生物學領域，使這項技術成為第一個公眾明星。他廣為人知的目標是 2009 年從埃克森美孚獲得高達 3 億美元的投資，目的是用池塘浮渣中的藻類製造汽油。2010 年，基斯林獲得了能源部 1.34 億美元的贈款，用於資助旨在誘導酵母細胞從糖植物中的化學物質合成柴油的研究。在那十年初，基斯林與人在加利福尼亞州埃默裡維爾共同創立了生物技術公司 Amyris，以將替代燃料技術商業化。
這兩個專案最終都給合成生物學帶來了壞名聲。四年後，埃克森美孚和文特爾，以及 Amyris，基本上放棄了合成石油專案。與目前低價的石油和天然氣相比，擴大商業生產的成本迫使 Amyris 和其他幾家微生物生物燃料初創公司暫停了該專案。這些公司對投資者來說是災難。Amyris 和 2005 年至 2010 年間成立的不同的合成生物技術公司，承諾用細菌製造石油，繼續在生物電路設計方面取得顯著進展。但他們的新基因電路並沒有得到廣泛讚譽。相反，這些曾經的合成生物學搖滾明星正在重建微生物，以製造用於製造溶劑和潤滑劑的化學品，以及化妝品、香料、洗滌劑和非處方保健產品的主要成分。
雖然華爾街投資者和科學媒體主要關注引人注目的夢想——以及不太理想的清醒現實——用細菌製造生物燃料，但柯林斯和他的同事們卻默默無聞地度過了新世紀的頭十年，解決了即將到來的下一個技術障礙：更好的醫學。經過多年的乏味實驗，在 2010 年，柯林斯設計了一種細菌，在實驗室測試中，該細菌削弱了耐藥細菌的毒性，使其容易受到現有抗生素的影響。
大約在同一時間，蒂姆·盧，另一位柯林斯博士後 protégé（擁有麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士學位，以及哈佛大學醫學學位），將電路嵌入到另一種微生物中，一種感染細菌的病毒。當細菌菌落將自身包圍在粘稠的保護性生物膜中時，就會出現某些難以治療的感染。這些細菌可能已經進化出生物膜來抵禦被稱為噬菌體的掠奪性病毒。盧在他的病毒電路中設計了一個基因，該基因編碼一種生物膜降解酶。盧的電路還對細菌病毒進行程式設計，使其能夠感知生物膜的存在，滲透其防禦系統，並透過解除安裝薄膜破壞酶來做出反應。
盧和柯林斯意識到，完善他們的感染鬥士可能需要數年時間。但他們也認為，他們的細菌可能更快地準備好用於另一種商業用途。在 2013 年的一次會議上，盧和柯林斯在劍橋的阿特拉斯風險投資公司的一次生物技術資助人聚會上表示，他們實驗室的基因增強微生物可以轉化為活體哨兵，能夠對人體內的疾病或空氣或水中的汙染物進行早期檢測。
然而，阿特拉斯高管們對另一個相關的想法很感興趣。他們設想，如果細菌不僅可以作為哨兵，而且可以感知人體腸道內的健康問題，然後產生治療方法來治療它，那麼就可以獲得更大的利潤。Synlogic 的想法由此誕生。在 2015 年初，在公司聘請了第一批研究人員大約六個月後，它利用柯林斯和盧的發明創造了 UCD 療法的早期版本。
“我在製藥行業工作了很長時間，我從未見過一種藥理學能如此短的時間內從科學家的想法發展到臨床測試，”PureTech Health 總裁兼 Synlogic 前高管巴拉特·喬里拉說。
重新利用的部件
該療法的組成部分是一個特別聰明的電路，該電路是用生物學家在數十年的大腸桿菌研究中發現的遺傳部件組裝而成的。Synlogic 電路將細菌通常的氨-氮-細胞生長機制轉變為生產一種叫做精氨酸的氨基酸的工廠。研究人員選擇精氨酸是因為與其他氨基酸相比，其細胞製造需要更多的氮。製造精氨酸的需求使細菌變成了一種氨吞噬生物體，因為它渴望攝取氮。透過將電路嵌入到其基因組中，微生物最終產生的精氨酸比正常菌株的細菌多 5,000 倍，Synlogic 研究人員說。
該電路依賴於一個開關，這是一個對一種叫做 FNR 的蛋白質做出反應的 DNA 序列。像空調中的恆溫器一樣，FNR 對細菌周圍環境的變化很敏感。它使大腸桿菌能夠對缺氧環境做出反應。當 FNR 感知到細菌處於低氧環境（如大腸）中時，它會開啟微生物茁壯成長所需的基因。當細菌移動到體外時，那裡有充足的氧氣，FNR 就會沉默。這是一種安全機制，旨在防止具有高生長速率的失控生物體。一旦微生物離開腸道並作為糞便進入我們富含氧氣的大氣層，整個系統就會關閉，大腸桿菌就會死亡。
不過，Synlogic 的米勒說，有一個問題。大腸桿菌的基因組包含一個“阻遏開關”，一個叫做argR的基因，當它感知到細菌有足夠的精氨酸時，它會關閉精氨酸的產生。因此，設計人員需要在他們的新電路中停用argR的機制。Synlogic 研究人員透過敲除圍繞幷包含argR的長 DNA 序列來實現這一點，並使用幾乎相同的 DNA 片段替換，其中argR基因被刪除。
幾位合成生物學家已經提出了其他遺傳電路，用於將抗癌藥物輸送到腫瘤深處。加州大學聖地亞哥分校的黑斯蒂用一套特殊的遺傳指令武裝了一種對人類無害的沙門氏菌菌株。黑斯蒂的實驗性癌症療法利用了最近的研究，該研究發現某些細菌經常存在於腫瘤內部。科學家們認為但尚不確定，在血液中自然迴圈的細菌會被腫瘤吸引，“因為該環境為免疫系統提供了安全的避難所，”黑斯蒂說。
黑斯蒂的遺傳程式迫使沙門氏菌執行一個兩步過程。該電路被設計為首先在細菌內部製造一種抗癌藥物。然後，它指示微生物滑入腫瘤內部，由腫瘤需要營養的血液將其帶到那裡。在電路指示的時刻，沙門氏菌會自我毀滅。當微生物爆裂時，它會釋放出藥物有效載荷。“有點像神風特攻隊任務，”黑斯蒂說。
在另一個巧妙的設計中，黑斯蒂添加了幾個遺傳元件，使療法能夠自我更新。“我們向細菌中引入了一種‘群體感應’系統，該系統可以檢測到當腫瘤內部繁殖的沙門氏菌達到一定數量時，”他說。當繁殖的微生物達到足夠高的密度時，群體感應器會觸發一種蛋白質的釋放，該蛋白質會從內部切開沙門氏菌，從而溢位抗癌藥物。這種自殺行為會殺死大部分但並非全部沙門氏菌。剩餘的那些開始再次繁殖，推動迴圈一遍又一遍地重複。
從內部攻擊腫瘤細胞的想法特別有吸引力，因為大多數化療藥物的作用是透過侵蝕癌細胞的外壁。黑斯蒂說，在小鼠研究中，單獨給藥時，細菌療法的效果並不比標準化療好。“但是，當我們將其與化療結合使用時，我們觀察到腫瘤體積減小，並且患有轉移性癌症的小鼠的預期壽命增加了 50%，”他指出。
尋求批准
沙門氏菌的工作仍在改進中。Synlogic 的 UCD 療法進展順利得多，FDA 對這項涉及基因改造微生物的首個療法的批准過程正在受到密切關注。該機構已經發布了規則，以監管其稱為“活體生物治療產品”的新類別下的微生物療法。與其他藥物（除了一些疫苗外）不同，新療法由活著的生物體組成，並且有可能在繁殖時發生變異。因此，FDA 希望確保療法的成分不會因批次而異。此外，它還希望證明微生物不能像 Synlogic 聲稱的那樣在環境中自行存活。“我們很多人都在關注監管機構如何處理 Synlogic，”黑斯蒂說。“如果他們無法獲得療法批准，我們可能都會遇到麻煩。”
對於改造細胞以檢測疾病而不是在人體內產生新化合物的 FDA 審查過程，很可能比醫療治療的審查過程更快且成本更低。許多新興的合成生物學專案旨在重新利用細菌來診斷疾病的最早出現。“腸道細菌可以被設計成感知、記住和報告它們在透過腸道時的經歷，”哈佛大學系統生物學系創始成員帕梅拉·西爾弗說。西爾弗的實驗室建立了一種概念驗證診斷工具，該工具由一個基因電路組成，該電路使細菌能夠識別小鼠消化系統中抗生素的存在。如果抗生素活性存在，該電路會產生熒光訊號，該訊號在糞便廢物中可見。
“這種合成電路證明了我們構建活體診斷工具的能力——在本例中，是暴露於抗生素，”西爾弗說。最近，她的實驗室對一種天然腸道細菌進行程式設計，以診斷腸道炎症並揭示新的治療靶點。“人體腸道是一個‘黑暗’的地方——難以探索，但卻是影響日常健康和使人衰弱的疾病（炎症是最普遍的疾病之一）的許多活動的場所，”她說。目前消化系統疾病的診斷方法具有侵入性且成本高昂。
西爾弗說，活體診斷工具提供了一種廉價、可能更靈敏的方法。如果它透過審查，則可以新增新功能。“我們還相信，診斷電路可以進一步工程改造，以在炎症部位提供腸道疾病的治療，”她說。“新電路的力量正在創造各種可能性。”