利用一束远红外光，可以控制干细胞分化为具有生物功能的神经细胞的过程，在华东师范大学医学合成生物学研究中心，如今这项科研主要是用于建立了哺乳动物远红光调控转基因表达技术平台，达到远程控制血糖治疗糖尿病。

这便是被喻为“第三次生物科技革命”的合成生物学，上海科学家的系列研究充分展现了这一前沿科技领域的远大前程。在医药健康领域，它不仅会给糖尿病患者带来福音，还将成为未来医疗实现个性化、数字化和精准化的新风向标。

获得光控定制细胞

“美国半导体研究联盟首次提出‘半导体合成生物学’概念，在其战略发展报告中引用的唯一中国人的相关研究成果，就是我们的这项工作。”80后的叶海峰已经是研究员、博导，依托华东师范大学生命学院及上海市调控生物学重点实验室，组建了合成生物学与生物医学工程课题组。

随着哺乳动物合成生物学的飞速发展，诱导型基因环路被广泛应用于基因功能的研究、代谢性疾病、神经性疾病以及肿瘤的治疗。虽然研究者们已经开发出了蓝光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录系统能操纵内源基因组基因的表达，但由于蓝光具有较强的细胞毒性和组织穿透性弱等缺点，极大的限制了其在基因功能的研究和转化医学的应用。叶海峰的最新研究成果克服了这一缺点，将CRISPR-dCas9和光遗传学这两大技术相结合，开发出了远红光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录激活装置（FACE）。通过光受体元件库挖掘、理性设计、基因线路重排和组装，成功构建了一种远红光调控转基因表达控制系统，最终获得了远红光调控基因表达的光控基因线路。该基因线路被上载到哺乳动物细胞中，便能获得光控定制细胞。这种定制细胞在远红光的照射下，可被激活并表达任何目的报告基因或药物蛋白，例如，绿色荧光蛋白或胰岛素等。

叶海峰领衔的科研团队，通过向细胞植入人工设计合成的基因线路，得到了他们需要的定制化细胞：可以在远红光的刺激下激活表达人胰高血糖素样肽-1（治疗2型糖尿病蛋白药物）或胰岛素。接着，研究人员将这种定制化细胞与远红光LED灯的水凝胶聚合体植入糖尿病小鼠背部的皮肤下。一旦配套的血糖仪监测到小鼠的血糖浓度突破阈值，系统就会通过蓝牙或无线网络点亮小鼠体内的LED灯，激活定制化细胞产生胰岛素。小鼠每天接受2到4小时的光照，体内的胰岛素在15天内都基本维持在正常水平。此外，在接受光照1-2小时后，糖尿病小鼠的血糖就能降到正常水平。

 

图说： 无线电磁场驱动LED灯发光示意图

开发电子药物平台

“我们利用合成生物学、光遗传学、电子软件工程等多学科交叉技术，巧妙地开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的半自动化诊疗新系统，在国际上首次实现通过智能手机APP超远程调控胰岛素表达。”叶海峰介绍，这种能够被智能手机遥控的定制化光敏细胞，除了糖尿病，光遗传学工具在帕金森病和精神分裂症的治疗上也有用武之地，并有望首次使因视网膜色素病变而视力衰退的人群重获光明。

合成生物学是继DNA双螺旋发现所催生的分子生物学、“人类基因组计划”实施所催生的基因组学后的第三次生物技术革命，将引发新一轮的世界科技革命。2014年在瑞士苏黎世联邦理工学院获得博士学位后归来的叶海峰说，在理论上，由合成生物学带来的“细胞药厂”有可能产生任何药物，但在实际应用中，还有很多问题需要攻克。比如，远程操控体内用药如何达到全自动化、数字化精准？“细胞药厂”可否长期有效？

作为华东师大新成立的医学合成生物研究中心挑大梁的专家，叶海峰的眼光放得很远。“上海理应在合成生物学领域占有重要的一席之地。”他正在探索的是结合半导体合成生物学优势，利用具有超远程精确调控信息输入优势的电子信息和软件工程，将其与合成生物学、光遗传学巧妙结合，实现远程全自动化智能闭环诊疗糖尿病。

“我们将致力于开发一种全自动化、数字精准调控释放胰岛素的糖尿病闭合环路智能诊疗系统。主要研究方向是基于光遗传学基础，开发一种全自动化、数字化精准糖尿病闭合环路智能诊疗电子药物平台。解决糖尿病患者每天注射或餐前服药问题，极大降低糖尿病治疗成本，改善患者的生活质量。我们还将推出定制细胞电子药丸胶囊新概念，用于未来疾病的个性化精准诊疗……”他说。