Cell:華人科學家加快和簡化2018年獲得諾爾貝化學獎的定向進化技術

2020-12-01 生物谷

2018年11月10日/

生物谷

BIOON/---在一個稱為定向進化（directed evolution）的過程中，科學家們對生物分子進行重新改造以便尋找發揮著有益新功能的新型生物分子。這個領域正在徹底改變藥物開發、化學工程和其他應用，但是要實現這一點涉及艱苦的和耗時的實驗室工作。

在一項新的研究中，來自美國加州大學歐文分校的研究人員報導他們讓活細胞完成大部分的繁重工作來加快和簡化定向進化。通過將經過特殊改造的DNA複製系統插入到酵母中，他們在宿主

酵母

細胞增殖時就可誘導選定的基因快速地和穩定地發生突變和進化。相關研究結果於2018年11月8日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Scalable, Continuous Evolution of Genes at Mutation Rates above Genomic Error Thresholds」。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.10.021。


論文第一作者、本月早些時候在加州大學歐文分校獲得生物醫學工程博士學位的Arjun Ravikumar說，「通過針對性地將高比例的多樣化轉移到細胞中，我們能夠培養這些細胞，並給它們施加壓力，從而讓它們從我們選擇的基因中進化出新的功能。我們的研究將進化簡化為一種極其快速的直接的可擴展的過程。」

在之前，如果科學家想要篩選生物分子來確定所需的功能是否已獲得，那麼他們需要在試管中構建一個DNA文庫並將這個文庫插入到細胞中，這是一個困難和艱辛的過程。在這項新的研究中，這些研究人員採用他們的新方法完全取消了這個步驟，他們讓細胞的內部系統完成所有的工作。

根據論文通信作者、加州大學歐文分校生物醫學工程助理教授Chang Liu的說法，當使用定向進化構建出更好的酶或蛋白---今年，定向進化獲得諾貝爾化學獎---時，進化周期（evolutionary cycle）的數量變得非常重要，這是因為每個進化周期被看作是邁向獲得新的或改進的功能的一步。他說，「但是如果每個進化周期都需要重複的試管DNA分子生物學處理，那麼你只能合理地進行多次重複實驗。」

Liu補充道，「相比之下，當通過在一個給細胞施加壓力以便讓它們獲得某種新功能的環境培養它們一段時間時，自然進化不斷地循環；從生物分子工程的角度來看，問題在於這個過程是非常緩慢的。我們找到了一種允許生物分子極其快速地進化的

遺傳

結構。」

Liu說，除了加快和簡化定向進化之外，這種新技術能夠讓科學家們開展他們過去難以開展的其他類型的實驗。比如，在這項新的研究中，這些研究人員描述了他們如何在90個重複實驗中讓一種酶發生進化，以便找出它能適應某種疾病的所有方式---在這項研究中，指的是瘧疾靶標如何對某種藥物產生抗藥性。

Liu說，「有許多方法可解決特定的進化挑戰，比如抗藥性，因此能夠在一種允許我們捕捉和理解更多的這些可能性的規模下開展進化實驗，這為我們提供有關抗藥性產生的治療相關見解。」

他補充道，未來的研究將集中在通過這種新的平臺持續性地進化出抵抗疾病的抗體和高價值的用於藥物合成的酶。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：Arjun Ravikumar, Garri A. Arzumanyan, Muaeen K.A. Obadi et al. Scalable, Continuous Evolution of Genes at Mutation Rates above Genomic Error Thresholds. Cell, Published Online: 08 November 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.10.021.

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