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  • 基因组编写CAD即将面市,仍有无限可能

  • 发布时间:2022-03-02 09:09  来源:www cnit5 com 作者:IT行业资讯网
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  • 想象一下,设计新生物是否可以像设计集成电路那样简单易行。这就是GP-write联盟正在开发的计算机辅助设计(CAD)程序的最终愿景。

    波士顿大学电气与计算机工程副教授道格·丹斯莫尔(Doug Densmore)说:「我们正在采用与电子设计自动化相同的方法,将其应用于生物学中。」Densmore领导的初创公司Lattice Automation将在今年年底推出他们研发的第一代程序。

    Densmore对该项目的希望之一是,帮助计算机科学家找到参与遗传学和生物学的方法。「有一些非常出色的计算机科学家,他们可能会说,『我不了解生物学的原理,但我喜欢编码。』」

    GP-write的灵感来源于上世纪90年代和本世纪初的人类基因组计划,它的正式名称为基因组编写(Genome Project-write)。正如读取人类所有DNA序列的努力大大促进了DNA测序技术的发展,并开创了医学的全新领域那样,GP-write团队设想,对基因组「编写」的关注可能会带来新的革命。

    基因组编写意味着什么?

    基因编写指的不仅仅是当前使用CRISPR等前沿工具进行的编辑,抑或是创建具有新特性的人或动物细胞的DNA序列设计。

    GP-write的科学家在2019年描述愿景的论文中写道,易于访问且对用户友好的CAD程序将使基因组设计更快、更便宜、更可靠。

    「如果我们能够降低基因组编写的成本,那么应用程序将具有变革性,」GP-write总裁兼联合执行总监艾米·施瓦茨(Amy Schwartz)说,她预见了其在医学、能源、材料和其他行业中的潜在应用。

    该CAD程序将免费提供给学者以及GP-write的行业合作伙伴使用。Schwartz说,其他公司也可以付费使用它。该平台还将包括订购单,方便用户将CAD文件发送给制造合成DNA的公司。然后,还会将反馈发送给用户,让他们了解其设计在实际场景中的结果。

    Schwartz的团队致力于帮助科学家超越改变单个碱基对(DNA最基本的单位)的范围,旨在从更高更抽象的层面上捕捉科学家的意图。比如,如果科学家想添加新的代谢途径来创建某种蛋白质,CAD就会在基因组中所有必要的位置进行必要的更改。

    Densmore还提出了一种医学假设对该程序如何帮助科学家进一步阐述:「想象一下,设计一种细菌,该细菌包含一个生物传感器,可以检测肠道中的某种状况,然后释放出一些治疗剂。」这需要添加一个生物传感器基因,一个能够在细菌内部积累的产生治疗物质的编码基因,和一个能够导致细菌破裂并释放药物的自毁基因。

    Densmore说:「你可能还想知道这些添加的基因将如何相互作用,」CAD可以检查编写代码中的错误,并做出有关细菌功能的预测。

    耶鲁大学的另一位重要合作者兼细胞分子和发育生物学副教授法伦·艾萨克斯(Farren Isaacs)表示,他们「正在努力为基因组设计开发一站式服务」。他指出,CAD将从少数生物的参考基因组开始,例如酵母和大肠杆菌,但将其设计为可与任何参考基因组一起使用。

    对于所有涉及基因编辑和合成生物学的人来说,生物安全都是最重要的。GP-write保证CAD会达到国际基因合成协会的生物安全标准 。它的第一步是对照危险序列数据库检查所有设计的序列,以确保用户不会制造出病毒或其他生物武器。最终还将检查细胞或有机体不会以不受控的方式增殖,也不会引发环境问题。
    尽管GP-write希望其CAD会成为不断发展的合成生物学行业的标准工具,但成熟的公司似乎不太可能从其现有的基因组编辑和设计系统中切换过来。

    帕特里克·博伊尔(Patrick Boyle)领导着银杏生物工厂的一个团队,该团队在公司的遗传「模块」资料库Codebase上工作。他说,银杏有一个定制的软件堆栈,可使该公司在一个月内设计多达20,000个新基因。「要真正大规模地编写,确实需要CAD,」Boyle说。「这实际上是关于编写python库的问题——以我们设计新序列的规模来看,还使用不到交互界面。”」

    尽管银杏将继续使用其专有软件,但Boyle认为GP-write CAD程序具有实用性。「如今,用于DNA设计的许多软件都是为在边缘工作人员准备的,这些软件可编辑基因的数量十分有限。如果你试图将1000个DNA片段放在一起,则需要不同的软件和不同的界面。」

    如果CAD程序确实在学术界和行业中流行,它可能会受到生物伦理学家的审查。

    弗莱堡大学生物伦理学家约阿希姆·博尔德(Joachim Boldt)对此发表意见:「我认为,简单的CAD设计流程与现实应用中的混乱情况之间可能存在冲突。」他担心一个易于使用的平台「可能会使用户高估预测结果的可靠性,尤其是那些对底层算法的局限性不熟悉的用户。」

    Boldt主张制定有关基因组编辑技术的国际法规,并希望这些法规制定详尽,能够区分不同类型的生物和不同的应用。他说,如果在没有机构或者政府制定政策的情况下完成基因组编辑和设计,「我们将会遇到问题」。
    GP-write团队表示,他们开发的CAD会随着科学技术和法规的发展而不断更新。「21世纪的生物学有着最有趣的技术问题。」

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