5 tren biotek pada tahun 2020 Yang Membuat Saya sangat tertarik

Sudah menjadi tradisi baru bagi saya untuk memulai tahun ini dengan beberapa ramalan tentang apa yang ada di cakrawala untuk bioteknologi. Tahun lalu, saya berbicara tentang model fisiologi in vitro, dunia indah nukleasi non-Cas9, host produksi mikroba eksotis, dan garis yang semakin kabur antara garis biologis dan anorganik. Saya sangat senang melihat betapa kuatnya pos itu bergaung dengan pembaca kami, saya dan tidak bisa melewatkan kesempatan untuk membahas apa yang harus kami nantikan di tahun 2020.

1. Pemanfaatan sumber daya yang direkayasa dalam biosintesis

Secara klasik, penelitian rekayasa metabolik telah menempatkan premium pada perluasan jajaran produk organisme hasil rekayasa, mungkin dengan mengelola fluks metabolik atau memperkenalkan jalur sintetis eksogen. Idenya di sini adalah untuk memulai dengan mikroorganisme yang dapat ditelusur secara genetik dan mudah untuk diberi makan dan kemudian memodifikasinya untuk menghasilkan senyawa yang menarik dalam konteks energi, kesehatan, komersial, atau industri. Organisme ideal adalah fototrofik, artinya mengandung mesin fotosintesis untuk menggunakan energi cahaya untuk melakukan reaksi kimia, atau mereka mengkonsumsi glukosa atau gula terkait, yang banyak tersedia sebagai komoditas murah.

Relatif sedikit pekerjaan yang telah dimasukkan ke dalam rekayasa organisme biosintetik untuk menggunakan sumber karbon dan energi yang tidak biasa. Tetapi peningkatan emisi karbon dioksida telah mendorong cara berpikir baru tentang pemanfaatan sumber daya dalam jenis produksi: mikroorganisme yang dapat mengasimilasi CO2, atau turunan kimia dari CO2 seperti metanol, tiba-tiba memiliki peningkatan pasokan substrat yang mudah diakses dan secara bersamaan mungkin memainkan peran kecil. bagian dalam remediasi karbon dioksida atmosfer. Karena jalur pemanfaatan sumber daya tambahan direkayasa, dimungkinkan untuk memproduksi bahan kimia khusus dari bahan kimia massal apa pun yang berada di tangan alih-alih membutuhkan media pertumbuhan spesifik-regangan.

2. Teknologi CRISPR / Cas di luar pengeditan genom

Itu tidak akan menjadi Tren dalam Bioteknologi tanpa aplikasi baru CRISPR. Kapasitas alat CRISPR / Cas untuk mengedit genom hampir tidak memerlukan pengenalan pada saat ini, dan tahun lalu saya berbicara tentang bagaimana susunan protein CRISPR yang meluas di luar Cas9 yang paling umum digunakan pada akhirnya akan berguna untuk pendekatan pengeditan genom khusus aplikasi. (Masih ada banyak aplikasi pengeditan gen Cas14, tapi saya yakin mereka akan datang.)

Secara paralel, penggunaan sistem CRISPR / Cas sedang dirancang di luar aplikasi "tradisional" pengeditan genom mereka. Alih-alih menyisipkan atau menghapus seluruh wilayah gen, pengeditan basis mengubah nukleobase tunggal (misalnya, C ke T), dan pengeditan prime yang lebih baru adalah metode pencarian dan penggantian untuk menulis DNA baru di situs tanpa memerlukan nukleat panduan asam. CRISPRi dan CRISPRa menghambat dan mengaktifkan ekspresi gen, yang dapat digunakan untuk melakukan skrining genetik. Dan pendekatan teknologi yang bahkan lebih jauh dihilangkan adalah dengan menggunakan sistem CRISPR / Cas sebagai biosensor, misalnya untuk mengidentifikasi keberadaan DNA patogen untuk tujuan diagnostik.

Semua aplikasi baru ini mengeksploitasi kemampuan protein Cas untuk mengenali DNA atau RNA tetapi secara sengaja merusak fungsi pemecahan asam nukleat. Kemudian, fungsionalitas baru ditambahkan dengan merekayasa protein dengan, misalnya, deaminase atau aktivitas transduksi sinyal. Pada prinsipnya, hampir semua fungsi protein dapat ditambahkan ke Cas, yang berarti bahwa seluruh aktivitas enzimatik kemungkinan akan digabungkan ke sistem CRISPR di tahun-tahun mendatang.

3. Genom dan sel sintetis

Ambisi North Star untuk biologi sintetik adalah menciptakan sistem seluler yang hidup dan mandiri dengan genom yang dipesan lebih dahulu, yang dirancang khusus untuk fungsi tertentu. Seperti teknologi pengeditan genom, ini menarik dalam konteks bioteknologi baik sebagai platform — sistem rekayasa yang berakar pada biologi dengan pengembangan bahasa desain dan metodenya sendiri — dan untuk implementasi praktis, sebagai biokatalis artisanal, permintaan atas sumber in situ. protein terapeutik, atau agen pengawasan selektif yang dapat mendeteksi patogen dan kontaminan dalam pasokan makanan atau air.

Teknologi yang muncul ini terdengar paling dekat dengan fiksi ilmiah dari tren mana pun dalam daftar ini, dan saya tentu tidak memperkirakan bahwa Anda akan dapat pergi ke perusahaan pemasok ilmiah favorit Anda dan memesan mikroorganisme sintetis tahun ini atau lanjut. Tetapi telah ada kemajuan besar menuju kemungkinan itu selama dekade terakhir, dengan desain genom bakteri dan ragi buatan, dan baru-baru ini gagasan pengodean ulang genom untuk menggunakan kurang dari seperangkat 64 kodon standar. Upaya bersamaan telah mempelajari cara membuat sel buatan dari set minimal komponen biokimia seperti struktur sitoskeletal dan kompartemen bersarang. Langkah penting berikutnya adalah untuk mengintegrasikan upaya "bottom up" dengan lebih baik untuk mensintesis komponen seluler dari awal dengan pekerjaan "top down" untuk meminimalkan genom yang ada untuk dipertahankan hanya fungsi yang diinginkan.

4. Biosintesis bebas sel

Atau dengan merancang seluruh sel untuk melakukan apa yang Anda inginkan (saat ini tidak layak) atau mulai dari sel yang ada dan memaksanya untuk melakukan sesuatu yang tidak diinginkan (mungkin, tetapi sering melelahkan dan menghasilkan rendah), yang lain muncul Pendekatan biosintesis adalah menghilangkan sebanyak mungkin biologi. Teknik bebas sel mereproduksi bagian yang diperlukan dari metabolisme sel — sumber energi, enzim, dan kofaktor — di luar sel, menghilangkan prioritas persaingan pertumbuhan dan pemeliharaan sel, menghilangkan kebutuhan untuk transportasi protein atau jalur penghabisan, dan memungkinkan sintesis racun senyawa.

Sintesis bebas sel telah dimungkinkan selama beberapa tahun tetapi sejauh ini berfokus terutama pada molekul yang relatif sederhana, seperti memproduksi senyawa bahan bakar atau memperbaiki karbon dioksida. Ketika rekayasa metabolik bergerak ke arah penanganan molekul yang lebih kompleks seperti produk alami, kemampuan untuk mensintesis produk alami seperti cannabinoid di luar sel telah meningkat juga. Banyaknya kelas produk alami yang dikombinasikan dengan keberhasilan baru-baru ini menunjukkan bahwa ini akan menjadi area penelitian aktif lebih cepat daripada nanti.

5. Biomanufaktur terapeutik

Produksi protein terapeutik dan bahkan sel bukanlah hal yang baru, tetapi energi baru-baru ini di bidang ini mengubah platform produksi skala lab menjadi strategi praktis yang berguna untuk mengobati penyakit. Salah satu pendekatan adalah memasang platform tepat pada titik kebutuhan medis, yang memiliki keuntungan dapat mensintesis obat protein sesuai permintaan; kelemahannya adalah tantangan regulasi yang jauh lebih besar daripada produksi molekul kecil di tempat karena kompleksitas memahami aktivitas terapi biosimilar. Pendekatan lain adalah menciptakan konsensus di antara para ilmuwan, insinyur, pabrikan, regulator, dan distributor — untuk menyebut hanya beberapa pemangku kepentingan — untuk menetapkan praktik terbaik dan parameter kontrol kualitas bersama menuju tujuan meningkatkan skema biosintetik yang cerewet dan tak terduga ke dalam suatu protokol industri skala besar. Mengingat kemajuan pesat dalam ilmu dasar yang mendasari sel T CAR, sel induk berpotensi majemuk, exosom, dan biologik lainnya pada skala organel atau sel, upaya standardisasi lanjutan akan sangat penting untuk menerjemahkan teknologi ini ke terapi pasien.

Bagaimana menurut anda? Apakah saya pada uang, di sini? Kami ingin mendengar pendapat Anda tentang apa yang Anda tuju bioteknologi di tahun baru dan dekade baru.