新型“进化引擎”以10万倍速创造超级蛋白质

"这就像给进化装上了快进按钮，"共同资深作者、斯克里普斯研究所所长兼首席执行官皮特·舒尔茨（Pete Schultz）表示，他同时担任L.S. '山姆'·斯卡格斯首席教授席。"现在可以在细胞内持续而精确地进化蛋白质，既不会损伤细胞基因组，也无需繁琐的操作步骤。"

定向进化是一种实验室技术，通过引入突变并在多轮循环中筛选功能增强的变体。它用于定制具有所需特性的蛋白质，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，或用于研究药物靶点中耐药性突变的出现。然而，传统方法通常需要重复进行DNA操作方法通常需要重复进行DNA操作和测试，每轮耗时一周或更久。连续进化系统——蛋白质在活细胞内无需人工干预即可进化——旨在通过每轮细胞分裂（细菌约20分钟）同时进行突变和选择来简化这一过程。但现有方法受限于技术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）来规避这些瓶颈，使其搭载第二套源自T7噬菌体的人工DNA复制系统。T7噬菌体是一种感染细菌的病毒，因其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，其设计旨在广泛适用于多种蛋白质靶标和生物学挑战。从概念上讲，T7-ORACLE基于并扩展了现有正交复制系统（即独立于细胞自身机制运作的系统）的工作，例如酿酒酵母（面包酵母）中的OrthoRep和大肠杆菌中的EcORep。与这些杆菌中的EcORep。与这些系统相比，T7-ORACLE的优势在于结合了高突变率、快速生长、高转化效率，以及大肠杆菌宿主和环状复制以及大肠杆菌宿主和环状复制子质粒均可轻松整合到标准分子生物学工作流程中。

T7-ORACLE正交系统仅靶向质粒DNA（小型环状遗传物质片段），不触及细胞的宿主基因组。通过改造T7 DNA聚合酶（一种复制DNA的病毒酶）使其易于出错，研究人员以比正常高10万倍的速率向目标基因引入突变，且不损伤宿主细胞。

"该系统代表了连续进化的重大进展，"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斯研究所化学助理教授克里斯蒂安·迪克斯（Christian Dier·迪克斯（Christian Diercks）表示。"不再是每周一轮进化，而是每次细胞分裂就完成一轮——这确实加速了进程。"

为展示T7-ORACLE的强大功能，研究团队将一种的强大功能，研究团队将一种常见的抗生素耐药基因TEM-1 β-内酰胺酶插入系统，并将大肠杆菌细胞暴露于浓度，并将大肠杆菌细胞暴露于浓度递增的多种抗生素中。不到一周，该系统就进化出了能抵抗比原始浓度高5,000倍的抗生素水平的酶变体。这一概念验证不仅证明了T7-ORACLE的速度和精确性，还通过模拟抗生素作用下耐药性产生的真实过程，展示了其实际应用价值。

"令人惊讶的是，我们观察到的突变与临床环境中发现的真实耐药突变高度吻合，"迪真实耐药突变高度吻合，"迪克斯指出。"在某些情况下，我们发现了比临床所见效果更佳比临床所见效果更佳的新组合。"

但迪克斯强调，该研究本身并非聚焦于抗生素耐药性。

"这不是一篇关于TEM-1 β-内酰胺酶的论文-1 β-内酰胺酶的论文，"他解释道。"该基因只是一个特征明确的基准，用以展示系统工作原理。关键在于我们现在能在数天内进化几乎任何蛋白质数天内进化几乎任何蛋白质，比如癌症药物靶点和治疗性酶，而无需数月时间。"

T7-。"

T7-ORACLE更广泛的潜力在于其作为蛋白质工程平台的适应性。尽管系统构建于大肠杆菌内，但该细菌主要作为连续进化的载体。科学家可将来自人类、病毒或其他来源的基因插入质粒，再导入大肠杆菌细胞。T7-ORACLE使这些基因发生突变，产生可被筛选或选择以获得功能增强的变体蛋白质。由于大肠杆菌易于培养且广泛应用于实验室，它为进化几乎任何目标蛋白质提供了便捷、可扩展的系统。

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这有助于科学家更快地进化靶向特定癌症的抗体地进化靶向特定癌症的抗体，进化更有效的治疗性酶，并设计靶向癌症和神经退行性疾病相关蛋白质的蛋白酶。

"令人兴奋的是它不局限于单一疾病或单一蛋白质类型，"迪克斯表示。"因为系统可定制，你可以放入任何基因，并朝着所需功能进化它。"

此外，T7-ORACLE与标准大肠杆菌培养物和广泛使用的实验室工作流程兼容，避免了其他连续进化系统所需的复杂操作流程。

"最主要的区别在于其易于实施，"迪克斯补充道。"无需专业设备或专门知识。如果你已在使用大肠杆菌，稍作调整在使用大肠杆菌，稍作调整即可使用该系统。"

T7-ORACLE体现了舒尔茨更宏大的目标：重建尔茨更宏大的目标：重建关键生物过程——如DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译——使其独立于宿主细胞运作。这种分离使科学家能在不干扰正常细胞活动的情况下重编程这些过程。通过将基本过程与基因组解耦，T7-ORACLE等工具有助于推动合成生物学发展。

"未来，我们有意利用该系统进化能复制完全非天然核酸的聚合酶：即具有新颖化学特性、类似DNA和RNA的合成分子，"迪克斯说。"这将开启我们刚刚开始探索的合成基因组学可能性。"开始探索的合成基因组学可能性。"

目前，研究团队专注于进化用于治疗的人源酶，以及定制蛋白酶以识别特定的癌症相关蛋白质序列。

"T7-ORACLE方法融合了两者的优势，"舒尔茨表示。"我们现在能将理性蛋白质设计与连续进化相结合，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《尔茨外，研究论文《一种用于大肠杆菌持续超突变和加速进化的正交T7复制体》的作者还包括斯克里普斯研究所的菲利普·桑德曼（Philipp Sondermann）、宋欣怡（Cynthia Rong）、托马斯·G·吉利 Rong）、托马斯·G·吉利斯（Thomas G. Gillis）、斯（Thomas G. Gillis）、班亚慧（Yahui Ban）、王思琳（Celine Wang）和大卫·A·迪克（David A. Dik）。

此项工作获得美国国立卫生研究院（资助号RGM145323A）的资金支持。