Science：构建一个“进化引擎”来快速重新编程蛋白质

来源：100医药网 2025-08-27 09:59

在医学和生物技术领域，进化出具有新功能或增强功能的蛋白质至关重要，但现有方法往往缓慢且繁琐。斯克里普斯研究所的科学家们如今开发出一个合成生物学平台，能够加速进化本身 使研究人员能以比自然进化快数千倍的速度进化出具有实用新特性的蛋白质。

这项名为T7-ORACLE的系统发表于《科学》杂志，代表了蛋白质工程领域的重大突破，使研究人员能够针对癌症、神经退行性疾病及几乎所有其他疾病领域设计治疗性蛋白质。

"这就像给进化过程安装了快进键，"共同资深作者、斯克里普斯研究所总裁兼首席执行官Pete Schultz表示，"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。"

定向进化是通过引入突变并经过多轮筛选获得功能增强变体的实验室过程，常用于定制具有特定性质的蛋白质，如高选择性、高亲和力抗体，具有新特异性或催化特性的酶，或研究药物靶点中耐药性突变的发生。然而传统方法需要反复进行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自主进化）旨在通过细胞分裂（细菌约20分钟一代）实现突变与筛选同步进行，从而简化流程。但现有方法一直受限于技术复杂性或有限的突变率。

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，使其搭载第二个源自噬菌体T7的人工DNA复制系统。这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，其设计具有广泛适用性，可应对多种蛋白质靶点和生物挑战。

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），如酿酒酵母中的OrthoRep和大肠杆菌中的EcORep。与这些系统相比，T7-ORACLE兼具高突变率、快速生长、高转化效率等优势，且大肠杆菌宿主和环状复制子质粒都能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），保持宿主基因组完整。通过改造T7 DNA聚合酶（一种复制DNA的病毒酶）使其易出错，研究人员以比正常水平高100,000倍的速率向靶基因引入突变，且不损伤宿主细胞。

"该系统代表了连续进化领域的重大进步，"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 真正加速了整个过程。"

为展示T7-ORACLE的强大功能，研究团队将常见抗性基因TEM-1 -内酰胺酶插入系统，并将大肠杆菌暴露于浓度逐步升高的多种抗生素中。不到一周时间，系统就进化出能抵抗比原始浓度高5,000倍抗生素的酶变体。这一概念验证不仅展示了T7-ORACLE的速度和精确度，还通过复制抗生素耐药性发展机制证明了其实际应用价值。

"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性突变高度匹配，"Diercks指出，"在某些情况下，我们发现了比临床变异更有效的新组合。"但他强调该项研究并非专注于抗生素耐药性本身。

"这并非关于TEM-1 -内酰胺酶的论文，"他解释道，"该基因只是展示系统工作原理的特征明确的基准。重要的是我们现在可以在数天内进化几乎所有蛋白质，如癌症药物靶点和治疗性酶，而非以往所需的数月时间。"

T7-ORACLE的更广泛潜力在于其作为蛋白质工程平台的适应性。虽然系统构建于大肠杆菌中，但这种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，然后导入大肠杆菌细胞。T7-ORACLE对这些基因进行突变，产生可筛选或选择功能增强的变异蛋白质。由于大肠杆菌易于培养且广泛应用于实验室，它为进化几乎所有目标蛋白质提供了便捷、可扩展的系统。

这将帮助科学家更快地进化靶向特定癌症的抗体，开发更有效的治疗性酶，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蛋白质类型，"Diercks表示，"由于系统可定制，您可以插入任何基因并根据需要进化其功能。"

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方案。"其主要区别在于实施的简便性，"Diercks补充道，"无需特殊设备或专业知识。如果您已掌握大肠杆菌操作技术，只需最小调整即可使用此系统。"

T7-ORACLE体现了Schultz的更宏伟目标：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够重新编程这些过程而不干扰正常细胞活动。通过将基本过程与基因组解耦，T7-ORACLE等工具推动了合成生物学发展。

"未来我们有意利用此系统进化能完全复制非天然核酸的聚合酶：这些合成分子类似DNA和RNA，但具有新颖化学特性，"Diercks表示，"这将开启我们刚刚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人类来源的治疗性酶，并定制蛋白酶以识别特定癌症相关蛋白质序列。

"T7-ORACLE方法融合了两大优势，"Schultz总结道，"我们现在可以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。"（100yiyao.com）

参考文献：

Christian S. Diercks et al, , Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp9583.