如果遺傳或合成工程生物被釋放到環(huán)境中，我們將如何知道?除了野外天然存在的數(shù)百萬種微生物外，我們怎能分辨它呢?這是多機(jī)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)，其中包括伍斯特理工學(xué)院(WPI)化學(xué)工程助理教授Eric Young，他正在開發(fā)一種生物安全工具，可以根據(jù)其獨(dú)特的DNA特征檢測工程微生物。

遺傳工程，其中基因被添加到生物的基因組中，而合成生物學(xué)，其專注于理解和設(shè)計(jì)更好的DNA序列，現(xiàn)在被用于制造多種產(chǎn)品，例如藥物，如胰島素和農(nóng)作物。 。生物技術(shù)公司(從初創(chuàng)企業(yè)到跨國公司)也使用基因工程來生產(chǎn)洗滌劑，食品配料和生物燃料等產(chǎn)品。

幾十年來，美國政府一直贊助研究和開發(fā)工程生物以及設(shè)計(jì)DNA的更好方法，而政府和合成生物學(xué)界共同努力開發(fā)安全和道德實(shí)踐，以確保生產(chǎn)的生物是安全的，并且能夠被包含。例如，政府贊助開發(fā)“殺傷開關(guān)”，使工程有機(jī)體無法在實(shí)驗(yàn)室外生存。

最近，美國政府和研究科學(xué)家已經(jīng)確定需要新的工具，當(dāng)它們與無數(shù)天然存在的微生物混合時(shí)，可以識別工程生物。最終可以部署這些工具來檢測環(huán)境中的工程生物。如果公司設(shè)計(jì)的有機(jī)體意外逃離實(shí)驗(yàn)室或檢測有意釋放的潛在有害生物，它們可用于保護(hù)公司的知識產(chǎn)權(quán)。

這是負(fù)責(zé)開發(fā)此類工具的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)正在執(zhí)行的任務(wù)。該項(xiàng)目由尋找工程聯(lián)系指標(biāo)(FELIX)項(xiàng)目的18個(gè)月獎(jiǎng)勵(lì)資助，該項(xiàng)目由國家情報(bào)總監(jiān)辦公室內(nèi)的情報(bào)高級研究項(xiàng)目活動(dòng)(IARPA)開展，該組織為研究提供資金支持。美國情報(bào)界面臨的挑戰(zhàn)。該獎(jiǎng)項(xiàng)的第二階段可以續(xù)簽24個(gè)月。雷神公司是總部位于馬薩諸塞州的國防承包商，是主承包商; Young因?yàn)樗牟糠猪?xiàng)目獲得了377,746美元的獎(jiǎng)勵(lì)，是五個(gè)分包商之一。其他人是約翰霍普金斯大學(xué)，普林斯頓大學(xué)，加州大學(xué)舊金山分校和Mission Bio，

“我們意識到工程和生物工程的力量，”Young說，他的專長是合成生物學(xué)，包括細(xì)菌，酵母和真菌的基因工程。“我們對合成生物學(xué)的前景感到興奮，但我們也有道德責(zé)任去思考我們開發(fā)的技術(shù)的潛在負(fù)面用途。

“我的實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)工程有機(jī)體以解決問題，我們使用超出我們要求使用的安全實(shí)踐，”他補(bǔ)充說。“希望這個(gè)項(xiàng)目能引導(dǎo)我們使用低成本工具，確保每個(gè)人都在努力防止生物體進(jìn)入環(huán)境，從大學(xué)到制造工廠再到車庫中的DIY生物愛好者。”

科學(xué)家通過將新基因引入其基因組中來創(chuàng)造工程微生物，使其能夠生產(chǎn)有價(jià)值的藥物，生物燃料或食品。含有用于產(chǎn)生胰島素的人基因的細(xì)菌，或含有來自幾種生物的多個(gè)基因以制備抗瘧藥青蒿素的酵母是實(shí)例。由于這些工程生物中的許多基因存在于自然界中，因此將它們與土壤或水樣中的非工程生物區(qū)分開來可能具有挑戰(zhàn)性。“這類似于在大海撈針中找到眾所周知的針頭，”楊說。

他補(bǔ)充說，做出這種區(qū)分的關(guān)鍵是確定每種生物的遺傳特征。憑借它們的生產(chǎn)方式，大多數(shù)基因工程生物體具有一個(gè)或多個(gè)DNA片段，這些片段對于它們的基因組是獨(dú)特的，并且使它們與它們的非工程化表親不同。這些DNA標(biāo)記可用作標(biāo)記物以快速發(fā)現(xiàn)天然存在的微生物群體中的工程化生物。Young在研究項(xiàng)目中的作用是生成含有這些特定標(biāo)記的生物工程生物的例子。

“我們正在提供檢測設(shè)備將尋找的'專家'信息，”他說。“我們正在考慮過去50年的基因工程，并將所有這些知識和信息減少到我們最有可能需要找到的生物工程生物的一系列基本特征。由我們的贊助商和團(tuán)隊(duì)決定哪些生物是重要的，我們幫助決定我們要看哪些簽名。這是非常令人興奮的工作。“

最初，正與兩名研究生合作的Young將專注于啤酒酵母，他說這種酵母越來越成為生物工程公司的首選生物，因?yàn)樗苋菀自O(shè)計(jì)并且易于生長，因?yàn)閹资陙硪?guī)?；勗煨袠I(yè)的發(fā)酵經(jīng)驗(yàn)。他所識別的特征將有助于檢測可能來自公司和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的已知工程生物。檢測可能有意釋放到環(huán)境中的潛在有害生物將是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。

“當(dāng)你不知道自己可能需要尋找什么樣的生物時(shí)，情況要復(fù)雜得多，”他說。“我們必須考慮最有可能出現(xiàn)的情況以及資源有限的人會(huì)創(chuàng)造什么。我們需要?jiǎng)?chuàng)建可以檢測各種工程生物的工具。他們需要足夠靈活，以便能夠檢測到一組特定的簽名，然后在找到新簽名時(shí)檢測這些簽名。我們正在幫助開發(fā)一種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。“

Young生成的知識最終將被納入由研究團(tuán)隊(duì)其他成員開發(fā)的臺式檢測設(shè)備中。其他團(tuán)隊(duì)成員正在創(chuàng)建機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這些算法將找到專家可能無法識別的新簽名。Young表示，他希望在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)準(zhǔn)備好可用于酵母的檢測設(shè)備，但在解決更復(fù)雜的挑戰(zhàn)之前可能需要5到10年。