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本报讯 在医学和生物技术领域，实现蛋白质定向进化，使其具有新功能或改进功能至关重要。但目前的技术耗时且费力。
为此，美国斯克利普斯研究所的科学家开发了一个可以加速蛋白质进化的合成生物学平台T7-ORACLE。该平台使研究人员能够比自然界快数千倍获得具备实用新特性的蛋白质。这是癌症、神经退行性疾病及其他疾病治疗领域在设计蛋白方面的新突破。相关研究8月7日发表于《科学》。
“这就像给蛋白质进化按下了快进键。”论文通讯作者、斯克利普斯研究所的Pete Schultz说，“现在，我们可以在细胞内连续、精确地实现蛋白质进化，而不会破坏基因组，也不存在繁琐费劲的步骤。”
定向进化是一个实验室过程，通常在多个周期内引入突变并选择功能，从而得到改善的变体。该方法用于定制具有所需特性的蛋白质，如高选择性、高亲和力的抗体，具有新特异性或催化特性的酶，还能用于研究药物靶点的耐药性突变。
然而，在蛋白质定向进化的传统方法中，DNA操作和测试需要重复多轮，且每轮耗费一周或更长时间才能完成。此外，蛋白质持续进化系统虽然在活细胞内进化而无需人工干预，但受到技术复杂性和适度突变率的限制。
T7-ORACLE与上述方法不同，它通过改造分子生物学的标准模式生物大肠杆菌，使其拥有第二个人工DNA复制系统，从而巧妙绕过了上述限制。该DNA复制系统来自T7噬菌体。T7噬菌体是一种感染细菌的病毒，因具有简单、高效的复制系统而被广泛研究。
T7-ORACLE能够实现生物大分子的持续超突变和加速进化，并广泛适用于蛋白质靶点。此外，T7-ORACLE仅靶向DNA质粒，而不影响细胞的宿主基因组。通过使T7噬菌体DNA聚合酶出错，研究人员可以在不损害宿主细胞的情况下，以比正常情况快10万倍的速度将突变引入靶基因。
“我们在每次细胞分裂时都会实现一轮进化，而不是一周才有一轮，可见该方法的确加速了这一过程。” 论文作者、斯克利普斯研究所的Christian Diercks说。
研究人员通过实验证明了T7-ORACLE的有效性。他们将一种常见的抗生素耐药基因TEM-1型β-内酰胺酶插入该系统，并将大肠杆菌细胞暴露于递增剂量的抗生素中。在不到一周的时间里，该系统进化出了抵抗力提高5000倍的酶。
作为蛋白质工程平台，T7-ORACLE具有广泛适用性。尽管该系统内置于大肠杆菌，但科学家可以将人类、病毒或其他来源的基因插入质粒，然后将质粒导入大肠杆菌，进而通过该系统产生供研究人员筛选的改善功能后的蛋白质。这可以帮助科学家更快进化出针对特定癌症的抗体及更有效的治疗酶，并设计出针对癌症和神经退行性疾病相关蛋白质的蛋白酶。（徐锐）
