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Cell:华人科学家加快和简化2018年获得诺尔贝化学奖的定向进化技术

来源:本站原创 2018-11-10 15:57

2018年11月10日/生物谷BIOON/---在一个称为定向进化(directed evolution)的过程中,科学家们对生物分子进行重新改造以便寻找发挥着有益新功能的新型生物分子。这个领域正在彻底改变药物开发、化学工程和其他应用,但是要实现这一点涉及艰苦的和耗时的实验室工作。

在一项新的研究中,来自美国加州大学欧文分校的研究人员报道他们让活细胞完成大部分的繁重工作来加快和简化定向进化。通过将经过特殊改造的DNA复制系统插入到酵母中,他们在宿主酵母细胞增殖时就可诱导选定的基因快速地和稳定地发生突变和进化。相关研究结果于2018年11月8日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Scalable, Continuous Evolution of Genes at Mutation Rates above Genomic Error Thresholds”。
图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.10.021。

论文第一作者、本月早些时候在加州大学欧文分校获得生物医学工程博士学位的Arjun Ravikumar说,“通过针对性地将高比例的多样化转移到细胞中,我们能够培养这些细胞,并给它们施加压力,从而让它们从我们选择的基因中进化出新的功能。我们的研究将进化简化为一种极其快速的直接的可扩展的过程。”

在之前,如果科学家想要筛选生物分子来确定所需的功能是否已获得,那么他们需要在试管中构建一个DNA文库并将这个文库插入到细胞中,这是一个困难和艰辛的过程。在这项新的研究中,这些研究人员采用他们的新方法完全取消了这个步骤,他们让细胞的内部系统完成所有的工作。

根据论文通信作者、加州大学欧文分校生物医学工程助理教授Chang Liu的说法,当使用定向进化构建出更好的酶或蛋白---今年,定向进化获得诺贝尔化学奖---时,进化周期(evolutionary cycle)的数量变得非常重要,这是因为每个进化周期被看作是迈向获得新的或改进的功能的一步。他说,“但是如果每个进化周期都需要重复的试管DNA分子生物学处理,那么你只能合理地进行多次重复实验。”

Liu补充道,“相比之下,当通过在一个给细胞施加压力以便让它们获得某种新功能的环境培养它们一段时间时,自然进化不断地循环;从生物分子工程的角度来看,问题在于这个过程是非常缓慢的。我们找到了一种允许生物分子极其快速地进化的遗传结构。”

Liu说,除了加快和简化定向进化之外,这种新技术能够让科学家们开展他们过去难以开展的其他类型的实验。比如,在这项新的研究中,这些研究人员描述了他们如何在90个重复实验中让一种酶发生进化,以便找出它能适应某种疾病的所有方式---在这项研究中,指的是疟疾靶标如何对某种药物产生抗药性。

Liu说,“有许多方法可解决特定的进化挑战,比如抗药性,因此能够在一种允许我们捕捉和理解更多的这些可能性的规模下开展进化实验,这为我们提供有关抗药性产生的治疗相关见解。”

他补充道,未来的研究将集中在通过这种新的平台持续性地进化出抵抗疾病的抗体和高价值的用于药物合成的酶。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

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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