科學(xué)家簡化和加速定向進化生物工程方法

稱為定向進化的過程,科學(xué)家們重新設(shè)計生物分子找到那些執(zhí)行有益的新功能。這個領(lǐng)域是藥物開發(fā)方式的一場革命,化學(xué)工程和其他應(yīng)用程序,但實現(xiàn)它的承諾需要艱苦的和費時的實驗室工作。

在今天發(fā)表在《細胞》雜志上的一項研究中,加州大學(xué)歐文分校研究人員報道,他們已經(jīng)加速和簡化定向進化通過活細胞大部分的重任。通過特制的DNA復(fù)制系統(tǒng)插入酵母,科學(xué)家們能夠誘導(dǎo)選擇基因快速和穩(wěn)定變異和發(fā)展作為東道主酵母細胞復(fù)制。

“通過移動高多元化目標(biāo)的方式進入細胞,我們可以成長和壓力這些細胞從任何基因進化成新的東西我們的選擇,”第一作者Arjun Ravikumar說,誰贏得了本月早些時候他在UCI的生物醫(yī)學(xué)工程博士學(xué)位。“我們的工作減少了進化是極快的,簡單的和可伸縮的過程。”

以前,科學(xué)家篩選生物分子所需的功能是否已經(jīng)實現(xiàn),他們需要建立一個DNA庫在試管中,將DNA插入到細胞,費力和困難的過程。UCI團隊取消了這一步完全在他們的新方法,讓細胞的內(nèi)部機械做的所有工作。

據(jù)資深作者Chang Liu UCI的生物醫(yī)學(xué)工程助理教授,當(dāng)使用定向進化創(chuàng)造一個更好的酶或蛋白——的工作贏得了今年的諾貝爾化學(xué)獎——進化周期的數(shù)量變得非常重要,因為每一個可以被視為一個一步一個新的或改進的功能。“但如果每個周期都需要重復(fù)的試管DNA分子生物學(xué)處理,只能合理經(jīng)過幾個迭代,”他說。

”相比之下,自然進化周期連續(xù)運行,基本上由培養(yǎng)細胞隨著時間在一個壓力的環(huán)境中他們開發(fā)一些新的功能;從生物分子工程的角度看問題是過程非常慢,”劉說。“我們已經(jīng)找到一種遺傳體系結(jié)構(gòu)允許將生物分子進化非常快。”

除了加速和簡化定向進化,劉說這項新技術(shù)可以讓科學(xué)家們執(zhí)行額外的類型的實驗,他們很難做。例如,在他們的研究中,UCI的研究人員描述了他們在90年進化酶復(fù)制實驗,以找出所有的方法可以適應(yīng)一定條件——在這種情況下,如何對某些藥物產(chǎn)生抗藥性瘧疾的目標(biāo)。

“有很多方法解決一個特定的進化挑戰(zhàn)如耐藥性,所以能夠運行進化實驗的規(guī)模,我們允許我們捕捉和理解更多的可能性,給我們治療耐藥性相關(guān)的深入了解,”劉說。

未來的工作將集中在讓新平臺不斷發(fā)展抗病抗體和藥物合成有價值的酶,他補充說。

”而不是注入抗原動物為了分離抗體,想象把它變成一個文化的酵母細胞,它出來作為一個特定的抗體,”他說。“可以改變這些和其他蛋白質(zhì)藥物是如何發(fā)現(xiàn)和發(fā)展。”

弗朗西斯·阿諾德-萊納斯鮑林化學(xué)工程教授,加州理工學(xué)院的生物工程和生物化學(xué),她贏得了2018年諾貝爾化學(xué)獎的開創(chuàng)性貢獻的領(lǐng)域——說,“構(gòu)建新的蛋白質(zhì)定向進化是一個功能強大的方法,但它可以受益于技術(shù)創(chuàng)新。劉教授和Ravikumar博士的技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出將刺激新的應(yīng)用程序和新途徑的調(diào)查將繼續(xù)擴大我們的能力構(gòu)成新的DNA。”

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