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ICG-12基因科技前瞻趨勢 基因編輯與合成生物學

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由於近年來基因定序技術發展已臻成熟,往年基因定序分析儀器研發百家爭鳴的情況漸趨於緩和。今年的國際基因組學會(ICG-12),在基因編輯(gene editing)和合成生物學(Synthetic Biology)這兩大領域成為眾所矚目的熱門話題,許多突破性的創新研發成果令人目不暇給,隱約勾勒出下一波基因科技的前瞻趨勢。

便捷的 CRISPR/Cas9 系統 引燃基因編輯應用的烽火

基因編輯目前主要有三種方法: 一是 Zinc Finger Nuclease(ZFN);二是 Transcription Activator-Like Effector Nuclease(TALEN)。兩者都是利用蛋白質標定 DNA 的位置,然後利用核酸酶剪斷要編輯的基因,再進行插入或移除,但 ZFN 和 TALEN 用來辨識 DNA 位置的蛋白質都不容易製作,實驗流程繁複且所費不貲,因此一直沒有被廣泛的應用。直到 2012 年科學家從微生物的免疫系統中發現 CRISPR/Cas9(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)的分子機轉,僅需 Cas9 蛋白質與一段經過設計的 single guide RNA(sgRNA)形成複合體,就能針對細胞中特定的DNA序列進行修改,實驗流程相當便捷且費用不高,很快地成為基因編輯領域應用的主流技術。正因為基因編輯未來在臨床醫療應用的龐大潛力,發現CRISPR/Cas9機轉與應用的三位科學家:法國的伊曼紐.夏彭提耶(Emmanuelle Charpentier)、美國的珍妮佛.道納(Jennifer A. Doudna)與華裔美籍的張鋒(Feng Zhang),共同獲得 2016 年唐獎生技醫藥獎的殊榮肯定,同時點燃全球基因編輯應用的烽火。

在 ICG-12 會議當中,Juan Carlos Izpisua Belmonte 教授提到,除了直接對基因序列本身進行編輯,也可以運用表觀基因體編輯(Epigenome editing)的方式針對特定基因序列的二次結構修飾達到基因表現和靜默的效果,稱之為(Target Epigenome Editing),可能能夠針對一些 Epi-mutation Cancer,例如:MLH1 或是基因印痕(Genomic Imprinting)疾病例如:小胖威利症/天使症候群等治療方法的研究開發。2017 年 Takahashi 研究團隊在《科學》(Science)雜誌發表,嘗試運用 DNA methylation editing 和HITI(Gene knock-in in vivo in non-dividing cell)的方法編輯小鼠的胚胎幹細胞(ESCs)植入目標胚胎形成嵌合體(Chimera),已經有初步的成效(Reference 1

美國萊斯大學(Rice University)助理教授高雪(Xue Kao)提到,運用帶有正電荷的脂質油滴包覆,將 Cas9 蛋白質和 sgRNA 有效地運送穿越細胞膜進入目標細胞對特定序列進行基因編輯的功能,因為沒有外源性 DNA 的參與,大幅降低基因發生重組(Recombination)的機率,避免基因突變的風險。首先,應用在體染色體顯性的單基因遺傳疾病的基因治療已經在動物模型上看到進展,原本患有遺傳性耳聾的小鼠,將 Casp9 和 sgRNA 注射到小鼠的耳朵內進行治療後,發現小鼠對於聲音的反應有明顯改善,耳內的聽覺髮細胞(hair cell)的存活率也顯著提升,初步驗證在動物模式具有治療效果。

高雪(Xue Kao)助理教授

高雪(Xue Kao)助理教授

Juan Carlos Izpisua Belmonte 教授

Juan Carlos Izpisua Belmonte 教授

基因編輯與合成生物學、再生醫學 將變得密不可分

根據統計,在 2014 年全球就有近 12 萬例人體器官移植完成,且年增長率達到 1.81%,但一般受贈者要找到器官捐贈配對非常困難,臨床需求非常龐大。豬是非常好的器官移植捐贈來源,但來自於豬隻本身的反轉錄病毒(Porcine endogenous retrovirus),具有感染並插入人體細胞 DNA 的風險,可能造成無法預料的 DNA 突變風險。2015 年哈佛醫學院的 George Church 教授研究團隊發現,可運用 CRISPR/Cap9 的基因編輯方法將器官組織的細胞重新編程(Reprograming)來弱化內生性的反轉錄病毒活性,讓異種移植(Xenotransplantation)的可行性又向前邁進一大步(Reference 2。異種移植也容易引發人體免疫反應造成排斥現象,2017 年華裔學者吳軍(Jun Wu)教授研究團隊成功嘗試用人類的體細胞誘導成 iPS 細胞後植入豬的胚胎,發育形成人豬細胞並存的嵌合體豬隻(Chimeric),這將可能大幅降低異種移植產生的免疫反應,為異種移植奠定重要的基礎。2017 年 10 月華大基因(BGI)成立勞爾斯博倫再生醫學研究所(Lars Bolund Institute of Regenerative Medicine)執行董事羅永倫博士表示,他們的跨國研究團隊已經成功嘗試將迷你豬的器官移植到猴子的身上。未來則希望從一些具有再生能力的生物例如:蠑螈(Salamander)作為再生醫學的研究目標。

羅永倫博士

羅永倫博士

合成生物學的下一哩路 導入自動化與人工智慧

2012 年諾貝爾生理醫學獎得主山中伸彌(Shinya Yamanaka)成功將體細胞誘導回到具有多功能的幹細胞-誘導性多功能幹細胞(induced pluripotent stem cell,簡稱  iPS 細胞),相關研究領域近年來發展日益蓬勃。但是在誘導產生 iPS 細胞的時候經常面臨嚴峻的挑戰和繁瑣的過程,例如:長時間的細胞培養容易產生污染、長時間監測並預測 iPS 細胞的形成、iPS 細胞形成群落(Colony),透過自動化設備與人工智慧(AI)的系統導入,能夠更有效率且更精準地挑選出成功誘導的 iPS細胞。未來,可能更進一步仰賴 AI 深度學習,模擬細胞演化的歷程,用合成生物學導向新藥的開發。

Thermo Fisher 合成生物學研發長 Axel Trefzer 表示,合成生物學(Synthetic Biology)讓生物科技的效率大大提升,以往的生物選殖育種往往需要耗費數十年,後來的基因工程可僅花費數年,但合成生物學僅需短短幾個月就能達成。他以自身的經驗說明,合成生物學領域的進展與應用,DNA 編寫的速度 18 年前每個月僅能完成 0.5 個基因長度,發展至今每個月已經能夠編寫超過 1 萬個基因長度的 DNA 序列。以往製造純化蛋白質過程通常需要從 DNA constructed 開始一連串冗長的過程,現在已經發展出自動化系統,能夠直接用列印的概念製造出想要的蛋白質序列(Print your protein!)。Thermo Fisher 自動化實驗室資深總監 Hansjoerg Hass 提到,2014 年他們在美國伊利諾州已經建立全世界一座完全自動化的生物合成實驗室 Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing (iBioFAB),針對 DNA 複製、組裝、異源(種)表現等形成自動化工作站,一天能夠產出 1,000 個TALEN(Transcription Activator-Like Effector Nuclease)編輯序列,且合成完成率可達到超過 98%,已相當穩定。未來,如何將想法或設計不需經過人工步驟就導入自動化系統進行合成製作,將成為致勝的關鍵。

Thermo Fisher 合成生物學研發長 Axel Trefzer 博士

Thermo Fisher 合成生物學研發長 Axel Trefzer 博士

生物製造(Bio-manufacturing)是合成生物學領域相當重要的一環,運用基因工程或基因編輯技術將微生物的 DNA 序列作編寫,再透過發酵過程製造出設計的產物,可大量合成並純化成具有經濟價值的產品。早期多應用於生質能源的製造,近年來則越來越多生技製藥產業的應用。例如:美國舊金山生技公司 Amyris 就開始用生物合成量產製造治療瘧疾的青蒿素(Artemisinin;發現者屠呦呦 2015 年榮獲諾貝爾醫學獎),將原本萃取不易且昂貴的天然藥物成分變得廣泛普及,挽救了數以百萬計熱帶、亞熱帶瘧疾患者的性命。但 Amyris 的研究員 Lishan Zhao 坦言,生物製造的研發非常耗費時間與資源,多半需要經歷數年的前導期(To Piolet)才有機會進入到量產階段,為了兼顧節省開發時間、降低耗費資源和大幅提升產量這三大目標,他們開始嘗試採用人工智慧(AI)和 Machine learning系統-Lila 來提升微生物合成的效率,將平常需要數週的設計、篩選、測試、決策縮短至數分鐘完成,大幅節省了時間和人力的耗損。目前 Amyris 可以僅用三種微生物載體就合成 351 種分子結構,其中40種能夠達到 40 mg/L的產能,且僅需三名生物學家參與即可完成,並將原本動輒 24 週以上的製程縮短至 3 ~ 6 週,大幅降低從研發到製造的建置成本。

Lishan Zhao 研究員

Lishan Zhao 研究員

未來,基因編輯和合成生物學的應用勢必將大量導入人工智慧的輔助,透過深化學習(Deep Learning)與自動化工作站的型態,將以往必須耗費大量人力和時間成本的實驗開發時間大幅縮減,讓研究人員有更充裕的時間和精神嘗試更多創新的應用。大膽預估未來的三到五年,基因編輯和生物合成技術將逐漸趨於成熟,只要能克服道德倫理爭議,在醫療、農業、能源等領域的應用將會對人類生活產生無遠弗屆的影響力。

文 / John Hung

延伸閱讀一:國際基因組學大會 揭示產學研發趨勢

延伸閱讀二:國際基因組學會(ICG-12)基因產業大事件
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參考文獻:
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.

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