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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(dá)不到需求。因此，科學(xué)家們期望通過定向進(jìn)化的方式，獲得具備特定功能的生物元件。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉陳立與傅雄飛研究員團(tuán)隊(duì)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(jìn)化系統(tǒng)——空間噬菌體輔助連續(xù)進(jìn)化（SPACE）系統(tǒng)。SPACE系統(tǒng)利用每個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室都有的小“平板”，將建庫和篩選生物元件兩個(gè)步驟結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的高度簡化，成百上千的定向進(jìn)化實(shí)驗(yàn)可以平行進(jìn)行，一天時(shí)間就可以完成幾十輪的進(jìn)化。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《分子系統(tǒng)生物學(xué)》上。
傳統(tǒng)的定向進(jìn)化方法一般分為建庫和篩選兩個(gè)步驟，多輪進(jìn)化往往需要進(jìn)行大量的重復(fù)操作，耗費(fèi)人力、物力。2011年美國哈佛大學(xué)開發(fā)了噬菌體輔助連續(xù)進(jìn)化（PACE）系統(tǒng)，是定向進(jìn)化領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。利用該系統(tǒng)能夠使蛋白質(zhì)在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)化60輪，效率是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化方法的100倍左右，并且整個(gè)過程無需人為干預(yù)，大大節(jié)省了技術(shù)人員的勞動(dòng)力。目前，該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于RNA聚合酶、TALEN、Cas9、堿基編輯器等重要酶類的進(jìn)化改造。
然而，如果要同時(shí)進(jìn)化多個(gè)目標(biāo)蛋白，目前還缺少一種簡便的定向進(jìn)化技術(shù)；另一方面，使用PACE系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要連續(xù)培養(yǎng)裝置、復(fù)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(shí)驗(yàn)室不太容易開展。
通過借鑒PACE系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)計(jì)，劉陳立與傅雄飛團(tuán)隊(duì)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(jìn)化開辟了創(chuàng)新路徑。
2019年，劉陳立團(tuán)隊(duì)利用細(xì)菌遷徙進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，揭示了具有不同遷徙速率的細(xì)菌的空間定植規(guī)律，并提出了一個(gè)簡單的定量公式，包含定植范圍的面積、細(xì)菌運(yùn)動(dòng)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(jìn)化的最優(yōu)策略。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)向細(xì)菌遷徙運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中添加了新要素——噬菌體，構(gòu)建了細(xì)菌—噬菌體共遷移實(shí)驗(yàn)體系。
通過大量定量實(shí)驗(yàn)與理論建模分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)噬菌體隨著細(xì)菌空間遷移可以形成一個(gè)扇形的感染區(qū)域，而這個(gè)扇形區(qū)域的大小與噬菌體感染宿主并復(fù)制擴(kuò)增的能力呈正相關(guān)關(guān)系。更重要的是，與細(xì)菌遷徙進(jìn)化不同，噬菌體的進(jìn)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(xì)菌—噬菌體共遷移實(shí)驗(yàn)體系，使原本沒有運(yùn)動(dòng)能力的噬菌體能夠被處于空間擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)過程中的細(xì)菌攜帶，并廣泛傳播?；谠摴策w移實(shí)驗(yàn)體系與連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的相似性，該團(tuán)隊(duì)將原本體積龐大且需要較復(fù)雜控制的液體連續(xù)培養(yǎng)裝置替換成了普通生物實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)，研究人員還可以直接通過平板表面細(xì)菌表層上肉眼可見的噬菌體感染區(qū)域的大小來對進(jìn)化的成功與否進(jìn)行判斷，無需借助檢測設(shè)備。
標(biāo)簽： 生物元件
