定向进化又出新方法了！Cell新文章获诺奖得主点赞

　　

助理教授 Chang C. Liu

 

闪耀着诺贝尔奖光辉的定向进化正革命性地推动药物开发、化学工程等其他涉及艰苦耗时的实验室劳作朝向便捷、快速和廉价的方向发展，科学家们得以重新设计生物分子以发现那些可以执行有益新功能的分子。

发表在《Cell》杂志的一项新研究，来自加州大学欧文分校（UCI）的研究人员报告，通过利用活细胞完成大部分重提工作，大大加速并简化了定向进化过程。他们讲专门设计的DNA复制系统插入酵母，在宿主酵母复制的过程中，诱使选定的基因快速、稳定地突变和进化。

“以有针对性的方式将高度多样性转入细胞，我们培育细胞并向它们施压，使我们选择的任何基因进化成一些新的东西，”文章一作、今年从UCI医学院刚获得博士学位的Arjun Ravikumar说道。“我们的工作简化了进化，将其变为一个极其快速、直接和可扩展的过程。”

以前，科学家们为了筛选生物分子是否实现预期功能，他们需要在试管中建立一个DNA文库，将该DNA插入细胞。这是一个费时费力的过程，UCI团队创建的新方法完全消除了这一步骤，而是让细胞内部机器来完成所有工作。

据本文通讯作者生物工程学助理教授Chang Liu的说法，使用定向进化来创造更好的酶或蛋白质时——今年获得了诺贝尔奖化学奖的工作——进化周期数非常重要。因为每个周期都可以被视为朝着新或改进功能所迈出的一步。“但是，如果每个循环你都需要试管DNA分子生物学处理，你可能只能合理地经历几次迭代。”

“相比之下，自然进化是持续的循环，本质上就是让处于压力环境下的培养细胞自发地发展新功能，从生物分子工程的角度来看，这个过程可能非常缓慢，”Liu教授补充道。“我们已经找到了一种可以让生物分子进化得更快的遗传结构。”

除了加速和简化定向进化，Liu说，新技术还可以让科学家进行过去很难操作的其他类型实验。例如，本文描述了他们如何在90个重复实验中进化出一种酶，并找出它能够适应特定条件的所有方法，例如一个疟疾靶点如何发展出对某种药物的耐药性。

“有许多方法可以解决特定的进化挑战，如抗药性。因此，大规模进行进化实验让我们有能力捕捉并理解更多潜在可能性，为关于抗药性的治疗提供前瞻性，”Liu教授说。

未来，他们将集中利用新平台不断开发抗病抗体和对药物合成有价值的酶。“无需把抗体注射入动物体内才能分离得到抗体，想象一下，我们只需要把它放入酵母细胞培养液，然后特异性抗体就可以轻松制造出来了，”他说。“这将彻底改变蛋白质药物的发展。”

加州理工学院的化学工程和生物工程教授Frances Arnold是2018年诺贝尔化学奖得主之一，他评价道，定向进化是构建新蛋白质的有力途径，科技创新绝对会使它变得更好，Liu教授和Ravikumar博士开发的技术将会刺激新应用和新研究途径，继续扩大我们合成新DNA的能力。

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原文检索：Scalable, Continuous Evolution of Genes at Mutation Rates above Genomic Error Thresholds

（生物通：伍松）