哈佛华裔牛人教授最新Nature公布新方法

　　

生物通报道：来自哈佛大学化学生物学系，分子与细胞生物学系，霍德华休斯医学院的研究人员报道了一种利用噬菌体体系进行生物分子合成的快速新方法，这种方法缩短了以往分子演化实验所需的时候，对于进化研究和制药研究具有重要的意义。这一研究成果公布在昨天出版的Nature杂志上。

领导这一研究的是哈佛大学化学生物学David R. Liu教授，据称这位教授是一位从来没有做过博士后的年轻教授，他早年毕业于哈佛大学，1999年在加州大学伯克利校区攻读博士学位，在Peter Schultz教授指导下从事核糖核酸研究，并自主首次开始活细胞遗传密码的研究。之后就被哈佛大学任命为助教授，2004年晋升为教授。Liu教授曾被麻省理工学院技术评论列入全球Top 100 青年发明家（35岁以下），“大众科学”亦将其列入全美Top10最具才气的青年科学家。

传统的制药成分大多都是小分子物质，但是很多有前景的新疗法都是以高分子为基础的，但是要合成这些分子，需要通过突变，基因表达，筛选和复制这些过程来合成，常常要耗费几天，甚至更长的时间，并且需要经常性的人为干预。

在这篇文章中，研究人员介绍了一种能在实验室内快速进化蛋白质的方法，他们利用由噬菌体辅助进行的连续演化体系，这个体系能直接将与大肠杆菌中蛋白的生成联系在一起，实现由基因编码的分子进行连续的、定向的演化。研究人员将这种方法称为phage-assisted continuous evolution（PACE），PACE方法能帮助进化基因在宿主细胞中传递，而且一天就能进行几十轮的演化，无需人为干预。这种方法套用了噬菌体M13的生活史。在传统定向进化方法中，科学家采用的是一种易错DNA复制方法，制造编码功能上稍有差异蛋白质的基因库。利用噬菌体辅助连续进化器，当携带目标蛋白基因的病毒在大肠杆菌细胞内复制时，便可以自动产生这样的基因库。大肠杆菌细胞已被改良以便增加病毒突变率。

研究人员利用这种方法，对T7 RNA聚合酶（RNAP）突变进行了演化——这种突变能识别一个特殊的启动子，利用ATP/CTP而不是GTP启动转录，在这项研究中，PACE方法在8天时间里完成了200轮的蛋白进化，这充分说明了这种方法的快速简便性。而且PACE方法也简化了未来寻找变异，而在每一个进化循环中都要对整个基因库进行筛查的繁复过程。

但是研究人员也提醒，这种方法可能不适用于某些高分子，因为PACE合成的蛋白或者核酸必须能与病毒的存活性相关联，因此在一些具体的实际用途方面，PACE方法也存在缺陷。

除此之外，Science近期也公布了进化研究方面的一项新成果：来自密歇根大学的研究人员证实带有长期进化利益性突变的“乌龟细菌”最终战胜了短期优势的“兔子细菌”。

研究人员选择了在500代内快速出现topA突变的菌株称为“兔子细菌”，而将其他的突变频率发生较慢的细菌，称为“乌龟细菌”。他们将“兔子细菌“和”乌龟细菌“等量混合，进行了直接竞争试验分析。研究人员本以为在传代至500代后这些“兔子细菌”应比“乌龟细菌”显示更强的适应优势，然而试验结果完全出乎他们的意料。研究人员发现在细菌生长分裂至500代时，“兔子细菌”确实在数量上占据绝对优势，然而在继续培养883代后，也就是在1383代时，情况发生了逆转，“乌龟菌株”不仅反超，而且“一统天下”。

（生物通：万纹）

原文摘要：

A system for the continuous directed evolution of biomolecules

Laboratory evolution has generated many biomolecules with desired properties, but a single round of mutation, gene expression, screening or selection, and replication typically requires days or longer with frequent human intervention1. Because evolutionary success is dependent on the total number of rounds performed2, a means of performing laboratory evolution continuously and rapidly could dramatically enhance its effectiveness3. Although researchers have accelerated individual steps in the evolutionary cycle4, 5, 6, 7, 8, 9, the only previous example of continuous directed evolution was the landmark study of Wright and Joyce10, who continuously evolved RNA ligase ribozymes with an in vitro replication cycle that unfortunately cannot be easily adapted to other biomolecules. Here we describe a system that enables the continuous directed evolution of gene-encoded molecules that can be linked to protein production in Escherichia coli. During phage-assisted continuous evolution (PACE), evolving genes are transferred from host cell to host cell through a modified bacteriophage life cycle in a manner that is dependent on the activity of interest. Dozens of rounds of evolution can occur in a single day of PACE without human intervention. Using PACE, we evolved T7 RNA polymerase (RNAP) variants that recognize a distinct promoter, initiate transcripts with ATP instead of GTP, and initiate transcripts with CTP. In one example, PACE executed 200 rounds of protein evolution over the course of 8 days. Starting from undetectable activity levels in two of these cases, enzymes with each of the three target activities emerged in less than 1 week of PACE. In all three cases, PACE-evolved polymerase activities exceeded or were comparable to that of the wild-type T7 RNAP on its wild-type promoter, representing improvements of up to several hundred-fold. By greatly accelerating laboratory evolution, PACE may provide solutions to otherwise intractable directed evolution problems and address novel questions about molecular evolution.

作者简介：

David Liu 1973年出生于美国加利福尼亚，1994年以最高荣誉毕业于哈佛大学（化学），本科期间曾参与固醇合成研究，师从Corey教授。1999年加州大学伯克利校区博士（有机化学）。在Peter Schultz教授指导下从事核糖核酸研究，并自主首次开始活细胞遗传密码的研究。同年被哈佛大学任命为助教授，2004年晋升为教授。曾获斯隆奖，国家科学基金会，全美化学协会，海军青年科学家研究等众多奖项. 并被麻省理工学院技术评论列入全球 Top 100 青年发明家（35岁以下），“大众科学”亦将其列入全美Top 10 最具才气的青年科学家。