合成生物学的发展及在噬菌体中的应用

合成生物学是设计和构建新的生物实体，例如酶、电路、模块或系统，或通过对遗传信息重新编程改造已存在的生物系统以达到我们想要的结果。合成生物学自1960年代以来一直发展，随着DNA合成成本的下降、基因工程技术的进步以及基因组和数据科学的发展，合成生物学在过去十年迅速扩张。合成生物学与传统分子和细胞生物学的区别在于，其重点在于设计和构建可以建模、理解和优化以满足特定性能标准的核心组件，并将这些较小的部件和设备组装成更大的集成系统，以解决具体问题。本文将概述合成生物学的发展和应用。
01  合成生物学的发展
合成生物学的发展历程可分为三个不同时期。1.基础时期，许多经典实验和文化特征的建立；2.中间阶段，领域扩大但工程滞后；3.加速创新和转变实践的时代，新技术使我们能在生物技术和医学方面向实际应用迈进。

02  合成生物学在噬菌体中的应用
2.1
提高噬菌体效率
经过基因编辑后表达生物膜基质降解酶的噬菌体比非工程化的噬菌体更容易穿透和降解生物膜。细菌计数结果显示，表达分散素B (DspB) 的T7噬菌体清除实验性大肠杆菌生物膜的效果比不表达DspB的对照好大约三倍。解淀粉欧文氏菌(Erwinia amylovora)是一种常见的植物病原体，但很少有噬菌体能有效治疗或保护受感染的作物，因为欧文氏菌会产生一种可作为噬菌体屏障的胶囊。将欧文氏菌噬菌体L1 (dpoL1-C)的荚膜解聚酶基因克隆到不相关的噬菌体Y2的基因组中，产生比Y2更大、更清晰的噬菌斑。尽管爆发量较低，但与野生型相比，工程化噬菌体在感染24小时后导致细菌下降约3个数量级，能更好的杀死欧文氏菌。这些结果与实验花感染结果相匹配，并说明了表达解聚酶的工程噬菌体如何帮助噬菌体更好地发挥作用。这两个工程噬菌体编码水解酶或解聚酶基因的例子表明，合成生物学可用于极大地改进天然噬菌体。
2.2
改变噬菌体宿主范围
为克服噬菌体的宿主特异性，在临床使用噬菌体时，通常采用鸡尾酒的方法以达到足够的临床覆盖率。但随着病原体种群在感染过程中不断演变，鸡尾酒噬菌体需要定期更新，这会带来重大的实践和监管挑战，扩大噬菌体宿主范围可以在已经被批准为安全有效的噬菌体支架中进行改造。为实现这一目标，Ando等人构建了宿主范围改变的T7样噬菌体的合成突变体。在T7样噬菌体中，宿主范围主要由基因17编码的尾部附属物决定。虽然将基因17与来自其他几个相关噬菌体的类似基因交换产生可预测的宿主范围改变，但克雷伯氏菌噬菌体 K11 和T7之间的杂合子需要替换T7的所有三个尾部基因（基因 11、12和17）以及来自K11的相应基因，这对于传统的等位基因交换技术将极具挑战性。然而，这种方法需要在已知噬菌体之间交换尾部成分，因此它本质上仅限于已对噬菌体进行表征及测序的活性噬菌体。开发用于调整噬菌体宿主范围的高通量方法对噬菌体治疗的未来极具价值。
2.3
将温和性噬菌体改造为裂解性噬菌体
由于温和性噬菌体具有整合到宿主菌及带有毒力基因等特性，通常不用作噬菌体治疗，但有些细菌很难从环境中分离到裂解性噬菌体，因此对此类菌使用噬菌体治疗就必须对噬菌体进行改造。Kilcher等人使用李斯特菌噬菌体P335作为支架，构建了一种缺乏主要阻遏物的剧毒突变体，并通过使其表达第二种内溶素进一步提高了噬菌体的裂解活性。由此产生的噬菌体不会使李斯特菌溶原化，有效地杀死李斯特菌，并且能够减少耐药性的发展。
2.4
改造裂解酶杀菌
Briers等人开发了称为Artilysins的合成噬菌体溶素，它包含渗透革兰氏阴性细菌外膜的肽，并且能够独立于任何主动转运进行摄取。他们的设计基于融合到选定噬菌体内溶素C端的脂多糖去稳定肽。这些Artilysins中效果最好的对铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌均具有杀菌作用，导致细菌数量下降4到5个数量级，并且使静止期的鲍曼不动杆菌下降了8个数量级。
小结
全球细菌对抗生素耐药性的升级迫使研究者们亟需开发对抗耐药菌的新型抗菌剂。噬菌体疗法是一种有前途但具有挑战性的新型抗菌方法，比如，需要解决诸如窄宿主、细菌对噬菌体的抗性、制造成本以及剂量分配/递送方法等限制。合成基因组组装和病毒基因组工程的最新进展可用于创建具有卓越治疗性能的噬菌体，合成噬菌体可能会启用新的知识产权并吸引大型制药公司的兴趣。此外，这些技术还可以应用于编辑新型治疗诊断纳米载体，具有改善的组织穿透性和有效载荷携带潜力，用于治疗癌症和其他疾病。