當代基因組學教父喬治·徹奇：六大問題探討合成牛物學的未來

喬治·徹奇教授

2004年，《麻省理工科技評論》將合成生物學評為改變世界的十大新技術之一。

合成生物學正在深刻地改變著人類的生活和生產方式，合成生物學的未來發展備受關注。未來合成生物學將如何影響世界經濟發展和人們的生活方式？又將如何顛覆人類的認知和現有技術？如何將生產、教育、研究緊密結合以促成合成生物學的發展？未來中國將在合成生物學的世界舞臺上扮演怎樣的角色？

喬治·徹奇教授以視頻的形式在大會現場發表題為《合成生物學的未來》的演講，就這些問題做出了解答。

喬治·徹奇教授是美國基因工程學家、分子工程學家和化學家，也是美國科學院院士、美國工程院院士，被稱為“當代基因組學教父”。此前他曾任哈佛醫學院遺傳學系教授，哈佛大學/麻省理工學院HST聯合研究所教授，主要研究方向是基因組測序及數據分析、合成生物學、個人基因組學等。他曾創辦第一家向個人用戶提供完整基因組序列的公司，還是利用基因編輯技術進行異種器官移植公司啟函生物、基因編輯和基因組工程公司eGenesis的聯合創始人。2017年，被“時代”雜志評選為世界上最具影響力的100個人之一。

以下為演講實錄整理：

首先我要感謝這次活動的組織者給我機會聊一聊合成生物技術的未來。

我的演講將主要圍繞六個問題展開：

第一個問題是，從技術到市場，從資本到政策，合成生物學將如何影響世界經濟發展和人們的生活方式？

如今，合成生物學已被廣泛用于基因療法和農業領域之中，比如INARI和Editas兩家公司針對罕見遺傳疾病，而中國本土公司華大智造正在研發了DNA納米球、新抗體等技術，eGenesis研究如何將豬的器官移植到人的身上。合成生物正在影響著我們進行分析、合成、產前診斷和外科手術的能力。

合成生物學帶來的經濟影響得益于其快速發展。我們可以看到Y軸的數字在過去十年中呈指數級增長，例如合成生物技術、基因組測序和編輯技術。它們的規模都增長了超過1000萬倍，主要原因是樣本復用，一滴液滴中可以混合多達數十或數萬億個樣本。

第二個問題是，從“為了學習構建”到“未來使用構建”，合成生物學將如何顛覆人類的認知和現有技術？

這里有一個關鍵詞：機器學習。這到底意味著什么呢？

下面舉一個我們在基因治療領域的例子，為了同時學習和使用，我們使用了腺相關病毒（AAV），這是一種經FDA批準的主要藥物遞送形式。這里我們用到了一個循環，我們可以對數據庫測序，針對免疫逃逸和組織嗜性進行選擇。然后，我們用到了機器學習，我們盡可能地從數百萬個樣本中心收集數據并迭代，相關成果最近發表在《科學》雜志上。

此外，還有Eric Kelsic領導的Dyno Therapeutics公司。其團隊將機器學習應用于許多不同形式的基因治療以及大規模的計算機輔助蛋白質設計和試錯迭代中。因為在我們的樣本庫中，擁有數百萬，甚至數十億個不同的分子（組合），使我們能夠高效地進行臨床試驗，同時降低了臨床試驗的成本。

第三個問題是，如何將生產、教育、研究緊密結合以促成合成生物學的發展，從而在全球競爭中脫穎而出？

我們需要不斷分享和指導，這就像在探索真理的征程中留下路標。舉例來說，Addgene是一個鼓勵分享成果的非盈利組織，該組織向全球的非營利性實驗室提供質粒及其相關的克隆數據，促進實驗室之間遺傳物質的交換。在這里我們分享了完整的人類轉錄因子和表達載體的結合，包括慢病毒和載體，我們都可以得到具體有效的單個轉錄因子，或者也可以整合起來。通常情況下，我們最終會發現所需的目標組織。

我們可以通過沿X軸的轉錄因子和沿y軸的RNA分析獲得這個集合中大約1700個轉錄因子，所有人都可以使用。到目前為止，我們已經建立了290種細胞類型和配方。Alex和Paras創辦了GC Therapeutics，將該成果用于測試新療法、細胞療法和移植。

第四個問題是，實驗室與市場的差異背后隱藏著怎樣合作雙贏的機會？

這種合作可以在本國內或者在全球范圍內，下面我舉幾個例子。

這個項目其實與你息息相關。在這次演講中幾乎所有內容以及我的研究中涉及的人類細胞均來源于該項目，因為這個項目已經得到了國際上的認可。這些數據可以通過美國、加拿大、英國、澳大利亞、韓國、中國和印度的相關機構或道德委員會獲得。由美國政府推動的科研項目中已經用到了這些細胞，比如美國國家標準技術研究所（NIST）和美國食品藥品監督管理局（FDA）都是用了基因組標準。瓶中的基因組還有NIH的DNA百科和ENCODE項目也都使用了其中的很多資料，比如用來研究表觀遺傳。這又叫做“個人基因組計劃”，我們正在使用這些數據。

另外一個雙贏的例子是可以使用一種通用的指導療法，來嘗試治療多種疾病，從而降低成本。這種療法能降低成本的原因在于，患有一種或多種與衰老相關疾病的人，這些疾病可能被逆轉。如果數字足夠大，我的意思是基本上我們所有人都會受到老齡化疾病的影響。那么固定的研發成本就可以分攤到跟多人身上，分散成本。具體來說，這里有四篇論文和八種不同的疾病，我們一次采集三組基因，就比如針對癌癥和細菌性疾病，開發一種聯合療法。雖然只有非常少的基因，但它們影響了很多與衰老相關疾病。

第五個問題是，科學的奧秘如何為行業帶來新的活力，資本和產業界如何回饋科學？

比如說是復制的保真度，基因組如何保持如此高的保真度？

我們在基因組中發現了重復序列結構，這些重復結構又代表著什么？

基因沉寂即基因沉默，指的是當你“關掉”一個基因并使其沉寂時，我們就把它從一個問題，一個謎團轉變為了一種技術，例如保真度導致聚合酶擴增，不斷重復的片段讓我們發明了CRISPR技術，而基因沉寂最后讓我們發現利用siRNA進行基因療法。還有很多例子，很多新技術都源于對未知領域的探索和挖掘。

第六個問題是，未來中國將在合成生物學的世界舞臺上扮演怎樣的角色？中國將會引領哪些變化？

就我個人而言，自2007年以來，我與許多中國團隊保持密切的合作，其中一些公司的聯合創始人曾是我實驗室的研究生和博士后研究員。比如說啟函生物和eGenesis兩家初創公司，下一張幻燈片會詳細展示這些信息。

啟函生物由我實驗室的學生和博士后研究員楊璐菡創辦，她現在是啟函生物和eGeriesis兩家公司的聯合創始人。Veritas Genetics（奕真生物）創始人趙奕寧、Singlera Genomics（鹛遠基因）的創始人高遠和張鴟都曾是我實驗室的博士后研究員。還與深圳華大基因、阿里巴巴達摩院建立了良好的關系。這些都是中國已經發揮關鍵作用的例子。未來我們可能會看到更多的創造力、資金和應對危機的能力。這次處理新冠疫情就是一個很好的示例。

下面還有一個例子，這是楊璐菡。她2015年至今發表的一系列論文，論文表明只需要編輯42個基因，就足以將豬的基因組人源化并消除病毒。我們現在有2000頭以這種方式編輯過的豬，這類型的豬也可以叫豬3.0，可用于臨床前試驗和靈長類動物測試。我和璐菡都是這兩家公司的合伙人，這項合作跨越了東西半球。

以上就是我演講的全部內容，感謝你們的邀請。在此預祝本次大會圓滿召開，也期待著未來可以有很多合作機會。（摘自美《深科技》）（編輯/費勒萌）