生物技术发展的下一个风口,合成生物学行业研究

浏览:758次发布日期:2019-07-25

合成生物学是将生物科学与工程学相结合,设计和构建出具备新的生物学功能的生物基因组和系统的学科。人们期望应用合成生物学去解决能源、材料、健康和环保等领域的问题,并已取得了一定成果。


多个权威机构或研究人员对对合成生物学的定义有过论述,多强调其工程化特征和创造新功能两个特点。


其中以合成生物学组织网站给出的定义流传最为广泛:合成生物学是指按照一定的规律和已知的知识去设计和创造新的部件、装置和系统,重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的服务。


合成生物学的主要研究内容分为三个层次:

  • 一是利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能;

  • 二是采用从头合成的方法,人工合成基因组DNA;

  • 三是人工创建全新的生物系统乃至生命体。


合成生物学有两个用途:一是通过人造细胞工厂进行高效生产,“造来用”;二是通过人造生命了解生物基础法则,“造来懂”。因此有学者称这项技术为“建物致知”。


美国加州大学伯克利分校化学工程教授Jay Keasling认为:合成生物学是用“生物学”进行工程化,就像用“物理学”进行“电子工程”、用“化学”进行“化学工程”一样。


英国皇家学院对合成生物学的定义是:它是一门新兴出现的,设计和构建全新人工的生物代谢途径、生物有机体和装置,或者改造现存自然系统的学科。


美国NSF资助的合成生物学工程中心认为合成生物学是一门结合科学和工程学的学科。


其目的是设计和构建出具有创新性的生物功能和系统。对其的定义应该从他的特性出发:可预测的,有通用连接标准的现成可使用的部件和由部件组成的装置;配合部件和装置拥有较好鲁棒性(稳健性)的生物系统(比如酵母和大肠杆菌);通过一套标准的组合规则在生物系统里组装部件和装置可以实现复杂功能;部件、装置和生物系统保持开源性和持续更新发展。


一、合成生物学的主要研究方向


合成生物学的研究方向较多,其中以构建代谢途径合成特定产物的细胞工厂在工业上的应用最多。


1、细胞工厂

(1)以生产物质为目的的细胞工厂


天然的生物体已经具备了多种多样的代谢途径,可以分解或合成多种物质。合成生物学试图依照现有代谢途径的原理去改造甚至创造出能够在大肠杆菌或者酵母(常用生物系统)中的代谢途径,达到高效合成某种物质的目的。


比如在酵母基因组中插入Pichia stipitis的编码木糖还原酶和木糖醇脱氢酶的基因,可以使得酵母利用木糖醇合成乙醇。


(2)以监测环境中物质为目的的细胞工厂


生物体在进行代谢反应时会产生气体(比如酵母呼吸产生二氧化碳),或者其他可改变环境酸碱性的物质。可利用生物体这一特点,加上感知环境特定物质的功能,达到监测环境中某种物质浓度的作用。


一般通过在细胞工厂中利用代谢途径构建传感器并输出可检测的信号,以实现对环境中物质浓度的检测。


生物传感器类型的细胞工厂在环境检测、食品工业和发酵工业中均有应用前景。在环境检测中,通常是组装一个生物传感器,将环境中的污染物转换成易检测、易定量的信号,从而可以快速、连续的监测污染情况。


SiyaWakin等人使用毛孢子菌和芽孢杆菌制作一种微生物BOD传感器用于水体和污水处理厂监测有机污染程度。英国爱丁堡大学的J. Aleksic等人设计了可以检测主要的水污染物——砷离子的细胞工厂。


他们利用大肠杆菌在有砷离子存在时抑制基因表达的特性,设计了相应的传感系统。该系统在有砷离子存在的情况下能改变细胞的代谢反应,并最终改变溶液的pH。通过pH试纸颜色的变化即可得知系统中砷离子的浓度范围。


2、合成生物全基因组

2002年,Cello等人使用化学合成的方法合成了长度为7.5kb的脊髓灰质炎病毒。2003年, Smith等人合成了长约5.4kb的φX174噬菌体病毒基因组。随后有多种更大尺度的物种基因组被合成,比如支原体、细菌、酵母。


对生物基因组的合成最基本的目标是化学合成可复制的基因组(对应于生命体可自主生长、繁衍)。更高的目标包括简化基因组、稳定基因组和引入便捷修改基因组的操作元件。通过完成这些目标可以得到基因组更小,代谢更简单和成长更稳定的生物,更适合工程化生产。


简化基因组是在保证不影响生物生长繁衍的前提下,剔除与生物体生长不相关(或者微弱相关)的基因组区域,达到缩小基因组大小的目的。2016年Venter课题组对合成型蕈状支原体基因组进行多轮设计、合成和检测,最终将蕈状支原体基因组从2010年的1.08Mb缩减到531kb。


稳定基因组是指剔除掉生物体在自然进化中在基因组中留下的不稳定元件(如转座子、亚端粒),达到基因组突变更少,复制和表达更稳定的目的。引入便捷修改基因组的操作元件是指人工加入一些功能序列,达到更方便高效改造基因组的目的。


比如酵母合成基因组中插入了3000多个loxPsym位点,可在该位点实现片段的插入、重复、删除等常规基因组修改操作。


3、基因编辑

基因编辑通常指对哺乳动物的指定基因进行定向编辑,具体指DNA片段的删除、插入等。


进行基因编辑的工具已经进行了三代技术更迭,分别是锌指核酸酶(zinc-finger nucleases, ZFNs)、转录激活效应因子(transcription activator-like effector nucleases, TALENs)和CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)与Cas9 protein (CRISPR-associated protein 9)组成的CRISPR-Cas9系统。


CRISPR-Cas9系统相较于前两代系统设计方便,只需根据需要修改的DNA区域序列设计识别工具(guide RNA),即可完成对指定区域的编辑。


4、生物成像

C. A. Voight课题组在2005年使用大肠杆菌制得了一套成像系统,包括感光和显影两大部分。研究者利用光敏色素构建了感受光刺激的光感应器,利用转录调控机制将光信号转换成下游基因表达,从而催化S-Gal颜色变化,完成显影。


2017年C. A. Voight课题组公布了一套可感受红蓝绿三色光的彩色系统,可通过调节红蓝绿光强,诱导对应的三色基因表达系统不同的表达强度,显示各种颜色。

二、合成生物学的应用


在美国、英国、德国、日本等科技创新的领先国家,合成生物学领域的研究中心、平台、实验室等实体机构的数量较多。


Wilson中心合成生物学项目的统计数据显示,截至2016年2月,全球合成生物学实体机构(包括公司、高校、研究所、实验室等)约565个,主要集中在 美国(388个)、英国(69个)、 德国(41个)、中国(27个)和日本(21个)。这些机构正在或即将为工业生物技术行业提供强大的助力。


美国国家科学基金会在2006年投入2000万美元,组建了由哈佛大学、麻省理工学院(MIT)、加州大学伯克利分校、加州大学旧金山分校等单位参与的合成生物学工程研究中心(SynBERC)


该中心的目标是运用标准化的传感器、效应器、途径和逻辑门基因线路等构建生物系统,培养合成生物学领域的工程师,并积极推动政策制定者和公众参与合成生物学社会和管理问题的讨论。


在美国国家科学基金会结束了对SynBERC的支持后,又以此为基础建立了组织工程生物学研究联盟(EBRC


英国政府建立了7个多学科交叉的合成生物学研究中心和1个产业中心,形成了全国性的综合研究网络。英国合成生物学技术转化和产业化中心(SynbiCITE)是由公司资助、主导合成生物学技术开发项目,建立合成生物学知识与创新中心。


我国的一些高校和研究院所也相继成立了相关的研究中心(实验室)。例如,中国科学院成立的合成生物学重点实验室,北京大学、清华大学等组建的相关学科交叉中心。近来年,各级政府也积极支持合成生物学的基础设施和创新平台的建设,例如天津市与中国科学院计划共建的“国家合成生物技术创新中心”,深圳市正在规划的“合成生物研究重大科技基础设施”等。


合成生物学的应用领域广泛,在医疗、化工、能源、材料、视频和农业等领域都有合成生物学产品已上市或在开发中。其中医药、化学品和生物燃料是产品的重点领域。


三、合成生物学投资情况


1、投资额持续增长


2012-2016年,全球对合成生物学企业的投资保持持续增长的趋势,合成生物初创公司累计获得近40亿美元的风险投资。期间,合成生物领域风险投资平均交易规模为2800万美元,有10家公司完成了1亿美元及以上的融资。


仅2018年上半年,全球合成生物学企业的筹资就已达15.75亿美元。这些投资不仅包含基因合成、计算工具开发、生物工程平台等通用技术领域,还包含了医药、食品等应用研究领域。投资方式也多元化,包括初创公司融资、上市公司公开募股等,也有支持企业研发的政府投资等。


2、细分领域投资情况


合成生物学在设计、CRISPR基因编辑、合成和生物工程领域有多起投资事件,2018年发生投资事件共9起,交易总额超7亿美元。


计算设计(蛋白质结构预测、AI、软件)对搭建代谢途径成功率,降低劳动成本有极大助力。计算设计类公司Synthorx于2018年12月在纳斯达克上市,募资1.31亿美元。


Synthorx在招股说明书中表示,计划开展THOR-707药物研究,用于实体肿瘤的单方治疗以及与一种免疫检查点抑制剂联合使用。Benchling公司于2018年6月获Benchmark领投(共三家)B轮投资1450万美元。


CRISPR基因编辑技术对改造哺乳动物细胞基因组提高了巨大便利。Inscripta公司是一家基因编辑公司,开发一类CRISPR酶类家族(称为MADzymes),可定制核酸酶,以及全套基因编辑配套工具(软件、仪器和试剂等),极大提高基因编辑的速度和效率。Inscripta已完成4轮融资,共获得1.1亿美元投资。于2018年2月获得5550万C轮投资,2018年12月获得3000万C轮投资。


合成DNA/RNA技术可根据设计生产DNA/RNA序列,新锐公司通过技术革新大幅降低了生产成本。Twist bioscience已于2018年11月在纳斯达克上市,完成7000万美元IPO。Greenlight Biosciences和Evonetix均在2018年获得过亿美元投资。


生物工程将设计合成的改造基因引入细胞工厂进行生产,相关企业Zymergen和Gingko Bioworks均在2018年获得过亿美元投资。


四、合成生物学的初创公司


1、细胞工厂初创公司布局

制作细胞工厂的手工作坊模式使得成本过大、效率低下,提高制作细胞工厂的效率成为初创公司的关注点。近几年涌现了一批掌握和应用新兴工具的合成生物学初创公司。围绕着细胞工厂的生产流程——设计、构建工程菌,可将初创公司分为三类:计算设计、DNA/RNA合成以及生物工程。


(1)计算设计初创公司

强大的计算设计可以大大减少筛选性实验的工作量,并且也可以为细胞工厂的优化提供支持。


  • Arzeda

总部位于美国西雅图,特点是使用计算模拟酶的特性、预测蛋白能量以及代谢路径。2009年2月获得华盛顿研究基金会(Washington Research Foundation)种子轮投资。2017年7月获OS Fund领投(共5家)A轮投资1200万美元。2017年11月获Universal Materials Incubator和Casdin Capital A轮投资320万美元。


  • Benchling

位于美国旧金山,特点是开发研究平台,科学家可以用一种界面设计、分享、记录实验。2014年2月获Y Combinator天使轮投资90万美元。2015年4月获Andreessen Horowitz领投(共3家)种子轮投资500万美元。2016年10月获Thrive Capital A轮投资700万美元。2018年6月获Benchmark领投(共3家)B轮投资1.45亿美元。


  • Asimov

位于美国剑桥,特点是使用机器学习设计基因路线。2017年9月获得Andreessen Horowitz领投(共4家)种子轮470万美元。


  • Desktop Genetics

位于英国伦敦,特点是使用AI来确定影响CRISPR gRNA设计的生物学变量。从2012年10月至今共经历过11轮融资,获得总投资金额约690万美元,最近一轮是2017年10月股权众筹79万英镑,投资方包括测序龙头公司Illumina。


  • Cyrus Biotechnology

位于美国西雅图,公司经由华盛顿大学Baker实验室开发的,名为RoSeTA的蛋白质设计软件已经投入商业化运营。其云平台CyrusBench旨在帮助普通生物技术科学家轻松实现蛋白质设计。2015年5月获得W Fund和WINGS的种子轮投资85万美元,2016年4月债权筹资53.5万美元,2017年2月获得风险投资100万美元,2017年7月获得Trinity Ventures领投(共4家)A轮投资800万美元。


  • LabGenius

位于英国伦敦,利用人工智能和机器人技术来开发新型蛋白质,主要用于创造粘合剂等新型材料,甚至用于生产抗皱保健产品。开发的“EVA”AI平台,用于发现高价值蛋白质组分。2017年11月获得Acequia Capital和Kindred Capital领投种子轮投资370万美元。


  • Synthorx

总部位于美国加州,专长是非天然氨基酸的蛋白质平台Synthorins,试图利用合成的XY两种新的碱基合成新氨基酸而优化的蛋白质,通过进行位点特异性修饰,从而增强这些治疗剂的药理学性质,进展最快的候选药物THOR-707是IL-2的一种变体,旨在通过增加CD8+ T和自然杀伤细胞(NK)细胞来杀死肿瘤细胞,而不会引起血管渗漏综合征(VLS)


2、合成DNA/RNA初创公司

DNA/RNA合成技术实现了在细胞外制造DNA/RNA,是获得细胞工厂的必须步骤。对合成DNA/RNA的准确性、长度和性价比的追求是初创公司的目标。


  • Twist Bioscience

位于美国旧金山,平台的核心是一项专有技术,它通过在硅芯片上“写”DNA来开创一种制造合成DNA的新方法。已于2018年11月在纳斯达克上市,完成7000万美元IPO,股票代码TWST,总市值6.16亿美元。从2014年2月至今共经历过8轮融资,获得总投资金额约2.53亿美元。


  • Greenlight Biosciences

位于美国波士顿,技术特点是利用来自死细胞的可重复使用的酶生产RNA,生产的双链RNA(dsRNA)可用于清除农作物病虫害、降低疾病传播者(比如传播疟疾的蚊子)数量以及生产RNA疫苗。从2013年8月至今,共经历过6轮融资,获得总投资金额约8.5亿美元。最近一次是2019年1月获得Baird Capital和S2G Ventures领投E轮投资5000万美元。


  • Evonetix

利用半导体技术合成DNA、整合多个芯片表面的反应位点从而控制合成,然后对合成的DNA进行误差校核。2018年1月获得由Data Collective DCVC和Draper Esprit(共6家)领投的风险投资1230万美元,2018年7月获Innovate UK grant投资130万美元。


  • Molecular Assemblies

总部位于美国圣地亚哥,利用专有酶进行长片段DNA的无模板合成。2016年12月获得由Agilent Technologies、Keshif Venture等七家投资机构种子轮投资230万美元,2017年8月获得投资450万美元。


  • DNA Script

是一家通过专有酶进行无模板DNA合成的法国初创公司。从2015年8月至今,共经历过5轮融资,获得总投资金额约2.4亿美元。最近一次2018年7月获得Bpifrance grant投资270万美元;投资者包括测序龙头公司Illumina。


  • Synthomics

位于美国旧金山港湾地区,公司开发了一种高度自动化的RNA和DNA合成仪“Green Machine”,能够在1536孔中同时合成寡核苷酸,与标准的96孔相比大幅提高通量,并且具有成本低,周期短的优势。2014年8月获得grant投资110万美元;2016年12月获得TSVC风险投资(金额未披露)


  • 泓迅科技(Synbio Tech)

自主开发的Syno®3.0合成平台是新一代的芯片DNA合成平台。结合电化学技术,可在一张半导体芯片上一次性合成上万甚至十万条引物。可提供高质量的DNA片段(包括引物,元件以及基因)、全基因合成、通路合成、基因组合成、核苷酸池(Oligo pool),以及各种突变库的合成。


3、生物工程初创公司


生物工程技术将DNA /RNA或编辑工具引入细胞或生物体。


来源丨动脉新医药