新型"进化引擎"以10万倍速度创造超级蛋白质

"这就像给进化过程按下了快进键，"共同资深作者、斯克里普斯研究所总裁兼首席执行官皮特·舒尔茨表示，他同时担任L.S."山姆"斯卡格斯冠名教授席。"现在可以在细胞内持续精确地进化蛋白质，既不会损伤细胞基因组，也无需繁琐的操作步骤。"

定向进化是通过多轮突变引入和功能筛选来改造蛋白质的实验室技术，可用于定制具有特定功能的蛋白质，例如高选择性、高亲和力抗体，具有新特异性或催化特性的酶，或研究药物靶点耐药性突变的产生。但传统方法每轮都需要重复进行DNA操作和测试，周期往往长达一周以上。连续进化系统——让蛋白质在活细胞内自主进化——旨在通过细胞分裂（细菌约20分钟/代）实现突变与筛选同步进行来简化流程。然而现有技术受限于操作复杂性或有限的突变率。

T7-ORACLE通过改造分子生物学标准模式生物大肠杆菌，引入源自噬菌体T7的人工DNA复制系统突破这些瓶颈。T7-ORACLE能实现生物大分子的持续超突变和加速进化，其设计具有广泛适用性。从概念上，该系统继承并拓展了现有正交复制系统（如酿酒酵母OrthoRep和大肠杆菌EcORep）的特点，这些系统独立于宿主细胞机制运作。相比同类系统，T7-ORACLE兼具高突变率、快速增殖、高转化效率等优势，且其环形复制子质粒能轻松整合到标准分子生物学流程中。

该正交系统仅靶向质粒DNA（小型环状遗传物质），完全不干扰宿主基因组。通过改造T7 DNA聚合酶使其易出错，研究人员以比正常高10万倍的突变率在目标基因中引入变异，同时保持宿主细胞完好。

"这个系统代表了连续进化技术的重大进步，"共同资深作者、斯克里普斯研究所化学助理教授克里斯蒂安·迪克斯指出，"现在每轮细胞分裂就相当于传统方法一周的进化周期，真正实现了进程加速。"

为验证系统效能，研究团队将常见抗生素耐药基因TEM-1 β-内酰胺酶插入系统，并用梯度浓度的多种抗生素处理大肠杆菌。不到一周就进化出耐药性提升5000倍的酶变体。该概念验证不仅展示了T7-ORACLE的速度与精度，还通过模拟临床耐药性发展过程证明了其实用价值。

"令人惊讶的是，我们观察到的突变与临床耐药突变高度吻合，"迪克斯强调，"某些新组合甚至比临床分离株更有效。"

但研究者指出本项研究重点并非抗生素耐药性本身。

"TEM-1 β-内酰胺酶只是验证系统的标准化指标，"他解释道，"关键在于我们现在能在数天内进化任意蛋白质，比如癌症药物靶点或治疗性酶类，而传统方法需要数月。"

T7-ORACLE的核心价值在于其作为蛋白质工程平台的通用性。虽然基于大肠杆菌构建，但细菌本质只是进化载体。科学家可将人类、病毒等来源基因插入质粒后转入大肠杆菌，系统会持续生成可筛选的功能优化变体。这种易于培养的模式生物为各类目标蛋白进化提供了标准化、可扩展方案。

该技术有望加速开发靶向特定癌症的抗体、优化治疗性酶制剂，以及设计针对神经退行性疾病相关蛋白的特异性蛋白酶。

"最激动人心的是其普适性，"迪克斯表示，"通过定制化设计，任何基因都能按需进化出目标功能。"

此外，T7-ORACLE兼容标准大肠杆菌培养体系和常规实验流程，无需其他连续进化系统复杂的操作规范。

"最大优势在于操作简便性，"迪克斯补充道，"不需要特殊设备或技术背景，熟悉大肠杆菌的研究人员稍作调整即可使用。"

该系统体现了舒尔茨的宏观目标：重建DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译等核心生物过程，使其独立于宿主细胞运作。这种解耦允许科学家重编程基础机制而不干扰正常细胞活动，推动合成生物学发展。

"未来我们计划用该系统进化能复制完全非天然核酸的聚合酶，"迪克斯透露，"这类合成分子具有DNA/RNA类似结构但具备新颖化学特性，将为合成基因组学开辟新天地。"

目前团队正聚焦于进化人源治疗性酶类，以及定制识别特定癌症相关蛋白序列的蛋白酶。

"T7-ORACLE实现了理性设计与持续进化的完美融合，"舒尔茨总结道，"我们现在能以前所未有的效率发现功能分子。"

除迪克斯和舒尔茨外，研究论文《大肠杆菌中用于持续超突变和加速进化的正交T7复制体》作者还包括斯克里普斯研究所的菲利普·松德尔曼、辛西娅·荣、托马斯·G·吉利斯、班亚辉、王赛琳和大卫·A·迪克。

本研究获得美国国立卫生研究院资助（项目编号RGM145323A）。