新型"进化引擎"以10万倍速度创造超级蛋白质

"这就像给进化装上了快进键，"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。"

定向进化是一种实验室技术，通过多轮突变引入和功能筛选来优化蛋白质特性。该技术可用于定制具有特定功能的蛋白质，例如高选择性抗体、具有新催化特性的酶，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。而连续进化系统——即在活细胞内无需人工干预实现蛋白质自主进化——通过细胞分裂（细菌约20分钟一代）同步完成突变与筛选，大幅提升了效率。然而现有技术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复制系统。T7是一种以简单高效复制机制著称的病毒，其改造后的复制系统可实现生物大分子的持续超突变和加速进化，适用于多种蛋白质目标和生物学挑战。从概念上看，T7-ORACLE基于并拓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）如酿酒酵母中的OrthoRep和大肠杆菌EcORep。相比这些系统，T7-ORACLE兼具高突变率、快速增殖、高转化效率等优势，且其环状复制子质粒能轻松整合到标准分子生物学工作流程中。

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

"这个系统代表了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，"现在每次细胞分裂都能完成一轮进化，而非每周一轮——真正实现了进程加速。"

为验证T7-ORACLE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体现了实用价值。

"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抗性。"

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，"关键在于现在能在数天内进化任意蛋白质，比如癌症药物靶点和治疗性酶，而以往需要数月。"

T7-ORACLE的核心价值在于其作为蛋白质工程平台的普适性。虽然基于大肠杆菌构建，但该菌株主要作为进化载体。科学家可将人源、病毒等外源基因插入质粒后导入大肠杆菌，系统会突变这些基因产生功能优化的变体。由于大肠杆菌培养简便且实验室普及，这为各类目标蛋白进化提供了可扩展方案。

该系统有望加速开发靶向特定癌症的抗体、优化治疗性酶，以及设计针对神经退行性疾病相关蛋白的蛋白酶。

"最激动的是它不局限于特定疾病或蛋白类型，"迪克斯表示，"通过定制系统，可以进化任何基因来实现所需功能。"

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的复杂操作。

"最大优势在于操作简便，"迪克斯补充道，"无需特殊设备或技术。只要有大肠杆菌工作经验，稍作调整就能使用。"

T7-ORACLE体现了舒尔茨的核心理念：重构DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译等基础生物过程，使其独立于宿主细胞运作。这种解耦让科学家能重编程这些过程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类似结构但全新化学特性，将开启合成基因组学的新可能。"

目前团队正致力于进化治疗用人源酶，以及定制识别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，"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《大肠杆菌中正交T7复制体实现持续超突变与加速进化》的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）。