在“小平板”上建生物元件生產“工廠”

◎趙梓杉 本報記者 劉傳書

在傳統方法中，生物元件是從自然界不同物種中通過功能篩選獲得。而通過傳統方法篩選和挖掘可用元件往往效率有限、且獲得的元件功能達不到需求。因此，科學家們期望通過定向進化的方式，獲得具備特定功能的生物元件。

中國科學院深圳先進技術研究院劉陳立與傅雄飛研究員團隊基於對微生物在空間上生長遷徙的定量理解，開發了一種連續定向進化系統——空間噬菌體輔助連續進化（SPACE）系統。SPACE系統利用每個普通實驗室都有的小“平板”，將建庫和篩選生物元件兩個步驟結合在一起，從而實現實驗裝置的高度簡化，成百上千的定向進化實驗可以平行進行，一天時間就可以完成幾十輪的進化。相關研究成果於近日發表在國際學術期刊《分子系統生物學》上。

傳統的定向進化方法一般分為建庫和篩選兩個步驟，多輪進化往往需要進行大量的重複操作，耗費人力、物力。2011年美國哈佛大學開發了噬菌體輔助連續進化（PACE）系統，是定向進化領域的一個重大突破。利用該系統能夠使蛋白質在24小時內進化60輪，效率是傳統實驗室進化方法的100倍左右，並且整個過程無需人為干預，大大節省了技術人員的勞動力。目前，該系統已被廣泛應用於RNA聚合酶、TALEN、Cas9、鹼基編輯器等重要酶類的進化改造。

然而，如果要同時進化多個目標蛋白，目前還缺少一種簡便的定向進化技術；另一方面，使用PACE系統進行實驗需要連續培養裝置、複雜的流速控制與檢測設備以及一定的操作技巧，因此普通實驗室不太容易開展。

通過借鑑PACE系統中的相關設計，劉陳立與傅雄飛團隊建立了SPACE系統。該系統大大提升了操作的簡便性及元件突變體的篩選效率，為連續定向進化開闢了創新路徑。

2019年，劉陳立團隊利用細菌遷徙進化實驗，揭示了具有不同遷徙速率的細菌的空間定植規律，並提出了一個簡單的定量公式，包含定植範圍的面積、細菌運動速度、生長速度這三大關鍵因素。根據該公式，在已知空間大小的條件下，便能算出遷徙進化的最優策略。在此基礎上，團隊向細菌遷徙運動系統中添加了新要素——噬菌體，構建了細菌—噬菌體共遷移實驗體系。

通過大量定量實驗與理論建模分析，團隊發現噬菌體隨着細菌空間遷移可以形成一個扇形的感染區域，而這個扇形區域的大小與噬菌體感染宿主並複製擴增的能力呈正相關關係。更重要的是，與細菌遷徙進化不同，噬菌體的進化主要發生在扇形感染區域的側邊沿。

SPACE系統在PACE系統的基礎上，利用細菌—噬菌體共遷移實驗體系，使原本沒有運動能力的噬菌體能夠被處於空間擴張運動過程中的細菌攜帶，並廣泛傳播。基於該共遷移實驗體系與連續培養系統的相似性，該團隊將原本體積龐大且需要較複雜控制的液體連續培養裝置替換成了普通生物實驗室中最為常見的軟瓊脂平板。

也就是在這樣一塊小小的平板上，SPACE系統能利用突變體之間對優勢空間的競爭，即不同強度的突變體能夠在空間上出現自發的分離，從而更高效地完成篩選過程。與此同時，研究人員還可以直接通過平板表面細菌表層上肉眼可見的噬菌體感染區域的大小來對進化的成功與否進行判斷，無需藉助檢測設備。