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使用一個新的機器人平臺，研究人員可以同時跟蹤數(shù)百個微生物種群，因為它們正在進化新的蛋白質(zhì)或其他分子。自然進化是一個緩慢的過程，它依賴于基因突變的逐步積累。近年來，科學家們已經(jīng)找到了在小范圍內(nèi)加速這一過程的方法，使他們能夠在實驗室中快速創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)和其他分子。
一個新的機器人平臺可以將定向進化的速度提高100倍以上，并允許同時監(jiān)測數(shù)百個進化中的種群。這項工作是由麻省理工學院媒體實驗室的Kevin Esvelt及其同事領(lǐng)導的這種被廣泛使用的技術(shù)，即定向進化，已經(jīng)產(chǎn)生了治療癌癥和其他疾病的新抗體，用于生物燃料生產(chǎn)的酶，以及用于磁共振成像(MRI)的成像劑。
麻省理工學院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一個機器人平臺，可以并行進行100倍的定向進化實驗，讓更多的人群有機會提出解決方案，同時實時監(jiān)測其進展。除了幫助研究人員更迅速地開發(fā)新的分子，這項技術(shù)還可以用來模擬自然進化，并回答關(guān)于它如何工作的基本問題。
"傳統(tǒng)上，定向進化更像是一門藝術(shù)，而不是一門科學，更不是一門工程學科。"麻省理工學院媒體實驗室的助理教授、這項新研究的資深作者凱文-埃斯維爾特(Kevin Esvelt)說："在你能夠系統(tǒng)地探索不同的排列組合并觀察其結(jié)果之前，這仍然是事實。"
麻省理工學院研究生Erika DeBenedictis和博士后Emma Chory是該論文的主要作者，該論文今天發(fā)表在《自然方法》上。
定向進化通過加快新的突變的積累和選擇而發(fā)揮作用。例如，如果科學家想創(chuàng)造一種能與癌癥蛋白結(jié)合的抗體，他們將從一個由數(shù)億個酵母細胞或其他微生物組成的試管開始，這些細胞已被設(shè)計為在其表面表達哺乳動物的抗體。這些細胞將被暴露在研究人員希望抗體結(jié)合的癌癥蛋白上，研究人員將挑選出那些結(jié)合效果好的細胞。然后，科學家們將在抗體序列中引入隨機突變，再次篩選這些新的蛋白質(zhì)。這個過程可以重復很多次，直到出現(xiàn)最佳候選者。
大約10年前，作為哈佛大學的一名研究生，Esvelt開發(fā)了一種加速定向進化的方法。這種方法利用噬菌體(感染細菌的病毒)來幫助蛋白質(zhì)更快地朝著理想的功能進化。研究人員希望優(yōu)化的基因與噬菌體生存所需的基因相聯(lián)系，病毒之間相互競爭，以優(yōu)化蛋白質(zhì)。選擇過程是連續(xù)進行的，將每一輪突變縮短到噬菌體的壽命(大約20分鐘)，并且可以重復許多次，不需要人類干預。
使用這種被稱為噬菌體輔助連續(xù)進化(PACE)的方法，定向進化可以比傳統(tǒng)定向進化實驗快10億倍。然而，進化往往不能得出解決方案，需要研究人員猜測哪一組新的條件會做得更好。
新的《自然方法》論文中描述的技術(shù)，研究人員將其命名為噬菌體和機器人輔助的近連續(xù)進化(PRANCE)，可以使用不同的條件，平行進化100倍的種群。
在新的PRANCE系統(tǒng)中，噬菌體種群(只能感染特定菌株)在96孔板的孔中生長，而不是在單個生物反應器中生長。這使得更多的進化軌跡可以同時發(fā)生。每個病毒群體在經(jīng)歷進化過程時都由一個機器人監(jiān)控。當病毒成功生成所需的蛋白質(zhì)時，它會產(chǎn)生一種機器人可以檢測到的熒光蛋白。
DeBenedictis說："機器人可以通過測量這個讀數(shù)來照看這個病毒群體，這使它能夠看到這些病毒是否表現(xiàn)良好，或者它們是否真的在掙扎，需要做一些事情來幫助它們。"
如果病毒在掙扎著生存，意味著目標蛋白沒有以理想的方式進化，機器人可以幫助它們免于滅絕，用不同的菌種替換它們正在感染的細菌，使病毒更容易復制。這可以防止種群滅絕，這是許多定向進化實驗失敗的一個原因。
"我們可以實時調(diào)整這些進化，直接響應這些進化的發(fā)生情況，"Chory說。"我們可以知道一個實驗何時成功，我們可以改變環(huán)境，這給了我們更多的嘗試機會，這從生物工程的角度和基礎(chǔ)科學的角度來看都是很好的。"
在這項研究中，研究人員利用他們的新平臺設(shè)計了一種分子，使病毒能夠以一種新的方式對其基因進行編碼。所有生物體的遺傳密碼規(guī)定，三個DNA堿基對指定一個氨基酸。然而，麻省理工學院的團隊能夠進化出幾個病毒轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)分子，這些分子讀取四個DNA堿基對而不是三個。
在另一個實驗中，他們進化出一種分子，使病毒能夠?qū)⒁环N合成氨基酸納入它們制造的蛋白質(zhì)中。所有的病毒和活細胞都使用相同的20種自然發(fā)生的氨基酸來構(gòu)建它們的蛋白質(zhì)，但是麻省理工學院的團隊能夠生成一種酶，能夠納入一種額外的氨基酸，稱為Boc-lysine。
研究人員現(xiàn)在正在使用PRANCE來嘗試制造新型的小分子藥物。研究人員說，這種大規(guī)模定向進化的其他可能應用包括嘗試進化出能更有效地降解塑料的酶，或能編輯表觀基因組的分子，類似于CRISPR能編輯基因組的方式。
有了這個系統(tǒng)，科學家還可以更好地了解導致特定進化結(jié)果的逐步過程。因為他們可以平行研究如此多的種群，他們可以調(diào)整突變率、原始種群的大小和環(huán)境條件等因素，然后分析這些變化如何影響結(jié)果。這種類型的大規(guī)模受控實驗可以使他們有可能回答關(guān)于進化如何自然發(fā)生的基本問題。
Chory說："我們的系統(tǒng)使我們能夠?qū)嶋H進行這些進化，對系統(tǒng)中發(fā)生的事情有更多的了解。我們可以了解到進化的歷史，而不僅僅是終點。"
(原標題：新的機器人平臺加速了實驗室中分子的定向進化)
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