一種新的合成生物學方法，由美國西北大學和賓夕法尼亞大學科學家領導的研究小組發(fā)起，該研究結果發(fā)表在《Nature》雜志上。

該研究概述了該團隊的新技術平臺，該平臺為數(shù)百萬個細胞中的每個細胞開發(fā)了一個“QR碼”，供科學家稍后查找和使用，就像在池塘里給天鵝做標記一樣。QR碼將研究人員引導到這些細胞的全基因組分子組成，并提供有關它們對癌癥治療反應的信息。

“細胞之間有很多不同的方式，”該論文的主要作者、資深合著者Yogesh Goyal說。“我們的實驗室想知道，單個細胞是如何做出決定的?在癌癥的背景下理解這一點更令人興奮，因為有一個臨床相關的二分法:細胞在面對治療時死亡或變得耐藥。”

Goyal是西北大學范伯格醫(yī)學院細胞和發(fā)育生物學的助理教授，并在麥考密克工程學院擔任化學和生物工程以及生物醫(yī)學工程的助理教授。他是西北大學合成生物學中心和西北大學Robert H. Lurie綜合癌癥中心的成員。Goyal與賓夕法尼亞大學的遺傳學家Arjun Raj共享通訊作者頭銜。

在這項研究中，實驗室和合作者試圖應用合成生物學工具來回答癌癥研究中的一個關鍵問題:是什么讓某些腫瘤在治療后幾個月或幾年復發(fā)?換句話說，實驗室能否理解是什么原因導致一些罕見細胞對某種藥物產(chǎn)生治療性耐藥性?

該領域的一些科學家認為，稀有細胞DNA的遺傳差異是導致耐藥性的原因。為了調(diào)查這一假設，研究小組將前后克隆的細胞通過全基因組測序管道進行比較，發(fā)現(xiàn)沒有系統(tǒng)的潛在基因突變。

“我們認為這項工作將真正改變我們對治療耐藥性的看法，”賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院生物工程教授、通訊作者Arjun Raj說。“我們表明，即使在高度控制的條件下，不同的‘味道’也會出現(xiàn)，而不是只有一種味道的耐藥細胞，這提高了每種味道都需要單獨處理的可能性。”

利用這個跨學科團隊，以及他自己作為一名具有強大數(shù)學背景的工程師的訓練，Goyal幫助開發(fā)了“QR碼”框架，即FateMap，可以識別每一個似乎對藥物治療產(chǎn)生耐藥性的獨特細胞。“命運”是指細胞是死亡還是存活(如果是，如何存活)，科學家們在抗癌治療之前和之后的整個生命周期中“繪制”細胞。

FateMap是幾個研究機構的工作成果，它融合了多個學科的概念，包括合成生物學、基因組工程、生物信息學、機器學習和熱力學。

“有些是偶然的不同——就像不是一棵樹上所有的葉子看起來都一樣——但我們想確定這是否重要，”Goyal說。“細胞生物學領域很難界定差異是否有意義。”

通過收集治療前后的數(shù)據(jù)，科學家們發(fā)現(xiàn)細胞的行為在藥物暴露之前就完全確定了。因此，在添加藥物之前發(fā)現(xiàn)細胞的差異可能會導致新療法的發(fā)展，這些療法針對的是差異的驅動因素，而不是差異的結果。

Goyal說，他們的下一個問題是，是否可以通過多種不同的細胞療法和癌癥類型來預測細胞行為。在其他模型中，相同的細胞會對治療產(chǎn)生耐藥性嗎?還是不同的細胞組受到了影響?

“這僅僅是個開始，”Goyal說。“我希望我們工作的概念和技術進步能夠很容易地推廣到不同的生物學問題，從癌癥到胚胎發(fā)育再到再生醫(yī)學。我們的工作強調(diào)需要使用無縫跨越學科界限的方法來開發(fā)癌癥及其他疾病的持久治療方法。”