ICG-12基因科技前瞻趋势基因编辑与合成生物学

由于近年来基因定序技术发展已臻成熟，往年基因定序分析仪器研发百家争鸣的情况渐趋于缓和。今年的国际基因组学会（ICG-12），在基因编辑（gene editing）和合成生物学（Synthetic Biology）这两大领域成为众所瞩目的热门话题，许多突破性的创新研发成果令人目不暇给，隐约勾勒出下一波基因科技的前瞻趋势。

便捷的 CRISPR/Cas9 系统引燃基因编辑应用的烽火

基因编辑目前主要有三种方法：一是 Zinc Finger Nuclease（ZFN）；二是 Transcription Activator-Like Effector Nuclease（TALEN）。两者都是利用蛋白质标定 DNA 的位置，然后利用核酸酶剪断要编辑的基因，再进行插入或移除，但 ZFN 和 TALEN 用来辨识 DNA 位置的蛋白质都不容易制作，实验流程繁复且所费不赀，因此一直没有被广泛的应用。直到 2012 年科学家从微生物的免疫系统中发现 CRISPR/Cas9（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）的分子机转，仅需 Cas9 蛋白质与一段经过设计的 single guide RNA（sgRNA）形成复合体，就能针对细胞中特定的DNA序列进行修改，实验流程相当便捷且费用不高，很快地成为基因编辑领域应用的主流技术。正因为基因编辑未来在临床医疗应用的庞大潜力，发现CRISPR/Cas9机转与应用的三位科学家:法国的伊曼纽．夏彭提耶（Emmanuelle Charpentier）、美国的珍妮佛．道纳（Jennifer A. Doudna）与华裔美籍的张锋（Feng Zhang），共同获得 2016 年唐奖生技医药奖的殊荣肯定，同时点燃全球基因编辑应用的烽火。

在 ICG-12 会议当中，Juan Carlos Izpisua Belmonte 教授提到，除了直接对基因序列本身进行编辑，也可以运用表观基因体编辑（Epigenome editing）的方式针对特定基因序列的二次结构修饰达到基因表现和静默的效果，称之为（Target Epigenome Editing），可能能够针对一些 Epi-mutation Cancer，例如：MLH1 或是基因印痕（Genomic Imprinting）疾病例如：小胖威利症/天使症候群等治疗方法的研究开发。2017 年 Takahashi 研究团队在《科学》（Science）杂志发表，尝试运用 DNA methylation editing 和HITI（Gene knock-in in vivo in non-dividing cell）的方法编辑小鼠的胚胎干细胞（ESCs）植入目标胚胎形成嵌合体（Chimera），已经有初步的成效（Reference 1）。

美国莱斯大学（Rice University）助理教授高雪（Xue Kao）提到，运用带有正电荷的脂质油滴包覆，将 Cas9 蛋白质和 sgRNA 有效地运送穿越细胞膜进入目标细胞对特定序列进行基因编辑的功能，因为没有外源性 DNA 的参与，大幅降低基因发生重组（Recombination）的机率，避免基因突变的风险。首先，应用在体染色体显性的单基因遗传疾病的基因治疗已经在动物模型上看到进展，原本患有遗传性耳聋的小鼠，将 Casp9 和 sgRNA 注射到小鼠的耳朵内进行治疗后，发现小鼠对于声音的反应有明显改善，耳内的听觉发细胞（hair cell）的存活率也显著提升，初步验证在动物模式具有治疗效果。

高雪（Xue Kao）助理教授

Juan Carlos Izpisua Belmonte 教授

基因编辑与合成生物学、再生医学将变得密不可分

根据统计，在 2014 年全球就有近 12 万例人体器官移植完成，且年增长率达到 1.81%，但一般受赠者要找到器官捐赠配对非常困难，临床需求非常庞大。猪是非常好的器官移植捐赠来源，但来自于猪只本身的反转录病毒（Porcine endogenous retrovirus），具有感染并插入人体细胞 DNA 的风险，可能造成无法预料的 DNA 突变风险。2015 年哈佛医学院的 George Church 教授研究团队发现，可运用 CRISPR/Cap9 的基因编辑方法将器官组织的细胞重新编程（Reprograming）来弱化内生性的反转录病毒活性，让异种移植(Xenotransplantation)的可行性又向前迈进一大步（Reference 2）。异种移植也容易引发人体免疫反应造成排斥现象，2017 年华裔学者吴军（Jun Wu）教授研究团队成功尝试用人类的体细胞诱导成 iPS 细胞后植入猪的胚胎，发育形成人猪细胞并存的嵌合体猪只（Chimeric），这将可能大幅降低异种移植产生的免疫反应，为异种移植奠定重要的基础。2017 年 10 月华大基因（BGI）成立劳尔斯博伦再生医学研究所（Lars Bolund Institute of Regenerative Medicine）执行董事罗永伦博士表示，他们的跨国研究团队已经成功尝试将迷你猪的器官移植到猴子的身上。未来则希望从一些具有再生能力的生物例如：蝾螈（Salamander）作为再生医学的研究目标。

罗永伦博士

合成生物学的下一哩路导入自动化与人工智能

2012 年诺贝尔生理医学奖得主山中伸弥（Shinya Yamanaka）成功将体细胞诱导回到具有多功能的干细胞－诱导性多功能干细胞（induced pluripotent stem cell，简称 iPS 细胞），相关研究领域近年来发展日益蓬勃。但是在诱导产生 iPS 细胞的时候经常面临严峻的挑战和繁琐的过程，例如：长时间的细胞培养容易产生污染、长时间监测并预测 iPS 细胞的形成、iPS 细胞形成群落（Colony），透过自动化设备与人工智能（AI）的系统导入，能够更有效率且更精准地挑选出成功诱导的 iPS细胞。未来，可能更进一步仰赖 AI 深度学习，模拟细胞演化的历程，用合成生物学导向新药的开发。

Thermo Fisher 合成生物学研发长 Axel Trefzer 表示，合成生物学（Synthetic Biology）让生物科技的效率大大提升，以往的生物选殖育种往往需要耗费数十年，后来的基因工程可仅花费数年，但合成生物学仅需短短几个月就能达成。他以自身的经验说明，合成生物学领域的进展与应用，DNA 编写的速度 18 年前每个月仅能完成 0.5 个基因长度，发展至今每个月已经能够编写超过 1 万个基因长度的 DNA 序列。以往制造纯化蛋白质过程通常需要从 DNA constructed 开始一连串冗长的过程，现在已经发展出自动化系统，能够直接用打印的概念制造出想要的蛋白质序列（Print your protein！）。Thermo Fisher 自动化实验室资深总监 Hansjoerg Hass 提到，2014 年他们在美国伊利诺州已经建立全世界一座完全自动化的生物合成实验室 Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing （iBioFAB），针对 DNA 复制、组装、异源（种）表现等形成自动化工作站，一天能够产出 1,000 个TALEN（Transcription Activator-Like Effector Nuclease）编辑序列，且合成完成率可达到超过 98%，已相当稳定。未来，如何将想法或设计不需经过人工步骤就导入自动化系统进行合成制作，将成为致胜的关键。

Thermo Fisher 合成生物学研发长 Axel Trefzer 博士

生物制造（Bio-manufacturing）是合成生物学领域相当重要的一环，运用基因工程或基因编辑技术将微生物的 DNA 序列作编写，再透过发酵过程制造出设计的产物，可大量合成并纯化成具有经济价值的产品。早期多应用于生质能源的制造，近年来则越来越多生技制药产业的应用。例如：美国旧金山生技公司 Amyris 就开始用生物合成量产制造治疗疟疾的青蒿素（Artemisinin；发现者屠呦呦 2015 年荣获诺贝尔医学奖)，将原本萃取不易且昂贵的天然药物成分变得广泛普及，挽救了数以百万计热带、亚热带疟疾患者的性命。但 Amyris 的研究员 Lishan Zhao 坦言，生物制造的研发非常耗费时间与资源，多半需要经历数年的前导期（To Piolet）才有机会进入到量产阶段，为了兼顾节省开发时间、降低耗费资源和大幅提升产量这三大目标，他们开始尝试采用人工智能（AI）和 Machine learning系统－Lila 来提升微生物合成的效率，将平常需要数周的设计、筛选、测试、决策缩短至数分钟完成，大幅节省了时间和人力的耗损。目前 Amyris 可以仅用三种微生物载体就合成 351 种分子结构，其中40种能够达到 40 mg/L的产能，且仅需三名生物学家参与即可完成，并将原本动辄 24 周以上的制程缩短至 3 ~ 6 周，大幅降低从研发到制造的建置成本。

Lishan Zhao 研究员

未来，基因编辑和合成生物学的应用势必将大量导入人工智能的辅助，透过深化学习（Deep Learning）与自动化工作站的型态，将以往必须耗费大量人力和时间成本的实验开发时间大幅缩减，让研究人员有更充裕的时间和精神尝试更多创新的应用。大胆预估未来的三到五年，基因编辑和生物合成技术将逐渐趋于成熟，只要能克服道德伦理争议，在医疗、农业、能源等领域的应用将会对人类生活产生无远弗届的影响力。

文 / John Hung

延伸阅读一：国际基因组学大会揭示产学研发趋势

延伸阅读二：国际基因组学会（ICG-12）基因产业大事件
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参考文献：
1. Integration of CpG-free DNA induces de novo methylation of CpG islands in pluripotent stem cells. Science. 2017 May 5;356(6337):503-508.
2. Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science. 2015 Nov 27;350(6264):1101-4.
3. Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell. 2017 Jan 26;168(3):473-486.e15. doi: 10.1016/j.cell.2016.12.036.