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。"现在可以在细胞内持续精准地进化蛋白质，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、高亲和力的抗体，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，周期长达一周以上。而连续进化系统（蛋白质在活细胞内自主进化）通过细胞分裂实现突变与筛选同步进行（细菌约20分钟分裂一次），能显著提升效率。现有技术却受限于操作复杂性或较低的突变率。

T7-ORACLE通过改造大肠杆菌（分子生物学标准模式生物）解决了这些瓶颈——该系统引入了源自噬菌体T7的人工DNA复制体系。这种以高效简单著称的病毒复制机制，使T7-ORACLE能实现生物大分子的持续超突变和加速进化，并广泛适用于多种蛋白质靶点和生物学挑战。从概念上，T7-ORACLE继承并拓展了现有正交复制系统（独立于细胞自身机制运作）如酿酒酵母OrthoRep和大肠杆菌EcORep的优势。相比这些系统，T7-ORACLE兼具高突变率、快速增殖、高转化效率等特点，且其大肠杆菌宿主与环状复制子质粒都能无缝整合到标准分子生物学流程中。

该正交系统仅针对质粒DNA（小型环状遗传物质），完全不干扰宿主基因组。研究人员通过改造T7 DNA聚合酶（病毒DNA复制酶）使其产生倾向性错误，使目标基因突变率提升10万倍的同时确保宿主细胞安全。

"这个系统标志着连续进化的重大突破，"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，"现在每轮细胞分裂都能实现进化迭代，而非每周一轮——这真正实现了进程加速。"

为验证T7-ORACLE的效能，研究团队将常见抗生素抗性基因TEM-1 β-内酰胺酶插入系统，并用梯度浓度抗生素处理大肠杆菌。不到一周就进化出抗药性提升5000倍的酶变体。该概念验证不仅展示了系统的速度和精准度，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发现的更具效力。"

但迪克斯指出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杆基因，"他解释道，"关键在于我们现在能在数日内进化任意蛋白质——无论是抗癌靶点还是治疗性酶，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，但该细菌主要作为进化载体。科学家可将人类、病毒等来源的基因插入质粒后导入大肠杆菌，T7-ORACLE会持续突变这些基因并生成可筛选的功能优化变体。凭借大肠杆菌易培养、实验室普及度高的特点，该系统为各类目标蛋白进化提供了便捷可扩展的方案。

这将助力科学家快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。

"最激动人心的是它没有应用限制，"迪克斯表示，"这个可定制系统能对任何基因进行定向进化，实现所需功能。"

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要求的复杂操作规范。

"最大优势在于操作简便性，"迪克斯补充道，"无需特殊设备或专业技能，已有大肠杆菌实验经验的科研人员稍作调整即可使用。"

T7-ORACLE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。这种隔离允许科学家重编程基础机制而不干扰正常细胞活动。通过基因组与基础过程的解耦，此类工具推动了合成生物学发展。

"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——这些类似DNA/RNA但具有新化学特性的合成分子，"迪克斯透露，"这将开启合成基因组学的新探索领域。"

目前团队正聚焦于进化治疗用人类源酶，以及设计识别特定癌症相关蛋白序列的蛋白酶。

"T7-ORACLE实现了理性设计与连续进化的完美融合，"舒尔茨总结道，"我们现在能以空前效率发现功能分子。"

除迪克斯和舒尔茨外，研究论文《大肠杆菌中实现持续超突变与加速进化的T7正交复制系统》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（项目号RGM145323A）。