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在傳統(tǒng)方法中，生物元件是從自然界不同物種中通過功能篩選獲得。而通過傳統(tǒng)方法篩選和挖掘可用元件往往效率有限、且獲得的元件功能達不到需求。因此，科學家們期望通過定向進化的方式，獲得具備特定功能的生物元件。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院劉陳立與傅雄飛研究員團隊基于對微生物在空間上生長遷徙的定量理解，開發(fā)了一種連續(xù)定向進化系統(tǒng)——空間噬菌體輔助連續(xù)進化（SPACE）系統(tǒng)。SPACE系統(tǒng)利用每個普通實驗室都有的小“平板”，將建庫和篩選生物元件兩個步驟結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)實驗裝置的高度簡化，成百上千的定向進化實驗可以平行進行，一天時間就可以完成幾十輪的進化。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《分子系統(tǒng)生物學》上。

傳統(tǒng)的定向進化方法一般分為建庫和篩選兩個步驟，多輪進化往往需要進行大量的重復操作，耗費人力、物力。2011年美國哈佛大學開發(fā)了噬菌體輔助連續(xù)進化（PACE）系統(tǒng)，是定向進化領(lǐng)域的一個重大突破。利用該系統(tǒng)能夠使蛋白質(zhì)在24小時內(nèi)進化60輪，效率是傳統(tǒng)實驗室進化方法的100倍左右，并且整個過程無需人為干預，大大節(jié)省了技術(shù)人員的勞動力。目前，該系統(tǒng)已被廣泛應用于RNA聚合酶、TALEN、Cas9、堿基編輯器等重要酶類的進化改造。

然而，如果要同時進化多個目標蛋白，目前還缺少一種簡便的定向進化技術(shù)；另一方面，使用PACE系統(tǒng)進行實驗需要連續(xù)培養(yǎng)裝置、復雜的流速控制與檢測設(shè)備以及一定的操作技巧，因此普通實驗室不太容易開展。

通過借鑒PACE系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)計，劉陳立與傅雄飛團隊建立了SPACE系統(tǒng)。該系統(tǒng)大大提升了操作的簡便性及元件突變體的篩選效率，為連續(xù)定向進化開辟了創(chuàng)新路徑。

2019年，劉陳立團隊利用細菌遷徙進化實驗，揭示了具有不同遷徙速率的細菌的空間定植規(guī)律，并提出了一個簡單的定量公式，包含定植范圍的面積、細菌運動速度、生長速度這三大關(guān)鍵因素。根據(jù)該公式，在已知空間大小的條件下，便能算出遷徙進化的最優(yōu)策略。在此基礎(chǔ)上，團隊向細菌遷徙運動系統(tǒng)中添加了新要素——噬菌體，構(gòu)建了細菌—噬菌體共遷移實驗體系。

通過大量定量實驗與理論建模分析，團隊發(fā)現(xiàn)噬菌體隨著細菌空間遷移可以形成一個扇形的感染區(qū)域，而這個扇形區(qū)域的大小與噬菌體感染宿主并復制擴增的能力呈正相關(guān)關(guān)系。更重要的是，與細菌遷徙進化不同，噬菌體的進化主要發(fā)生在扇形感染區(qū)域的側(cè)邊沿。

SPACE系統(tǒng)在PACE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用細菌—噬菌體共遷移實驗體系，使原本沒有運動能力的噬菌體能夠被處于空間擴張運動過程中的細菌攜帶，并廣泛傳播。基于該共遷移實驗體系與連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的相似性，該團隊將原本體積龐大且需要較復雜控制的液體連續(xù)培養(yǎng)裝置替換成了普通生物實驗室中最為常見的軟瓊脂平板。

也就是在這樣一塊小小的平板上，SPACE系統(tǒng)能利用突變體之間對優(yōu)勢空間的競爭，即不同強度的突變體能夠在空間上出現(xiàn)自發(fā)的分離，從而更高效地完成篩選過程。與此同時，研究人員還可以直接通過平板表面細菌表層上肉眼可見的噬菌體感染區(qū)域的大小來對進化的成功與否進行判斷，無需借助檢測設(shè)備。

標簽： 生物元件