生活是多種多樣的。通過服用抗生素來阻止感染或使用酵母釀造啤酒，我們正在選擇有用的產(chǎn)品和自然進(jìn)化的工藝。但是，當(dāng)我們想要的特性在自然界中無法找到時(shí)會(huì)發(fā)生什么?

創(chuàng)新基因組學(xué)研究所的科學(xué)家們編造了一種利用進(jìn)化力量的變革性新方法。今天在自然界中，由博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員學(xué)生Shakked Halperinworking在加州大學(xué)伯克利分校的David Schaffer和John Dueber的實(shí)驗(yàn)室中描述了CRISPR的另一個(gè)創(chuàng)造性應(yīng)用：一個(gè)促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)特定基因進(jìn)化的平臺(tái)。他們創(chuàng)造性的新系統(tǒng)“EvolvR”讓科學(xué)家們可以在他們選擇的基因中改變DNA字母，直到找到恰到好處的變異。該技術(shù)開辟了無數(shù)的可能性，如工程酵母可有效地將廢物轉(zhuǎn)化為生物燃料，或開發(fā)新的人類治療藥物。

不只是在周圍徘徊

想象一只猴子坐在鍵盤上。如果給予無限量的隨機(jī)按鍵，猴子幾乎肯定會(huì)輸入威廉·莎士比亞的全部作品。至少，這是根據(jù)“無限猴子定理”。自然DNA變異類似于這個(gè)過程 - 隨著時(shí)間的推移，不同個(gè)體生物的基因組中會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)變化。理論上，在無限的時(shí)間內(nèi)，遺傳信件的每一種可能的變異都將存在。然而，在實(shí)際的人類時(shí)間線上，只會(huì)出現(xiàn)很小一部分可能的變化。

現(xiàn)在想象一下，我們可以告訴猴子只重寫莎士比亞麥克白的特定頁面。僅限于這個(gè)狹窄的窗口，猴子會(huì)更快，更快地輸出頁面文本的每個(gè)可能的變化。這就是EvolvR讓科學(xué)家們所做的事情。他們只想要單個(gè)基因的新版本，因此重寫整個(gè)基因組是不切實(shí)際的，并且可能對(duì)活細(xì)胞有毒。通過一次將加擾限制為僅一個(gè)基因，可以采樣大量的變化。

輕擊“evolve”開關(guān)

EvolvR讓科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室的一天內(nèi)將基因推進(jìn)整個(gè)進(jìn)化過程。該系統(tǒng)基于可編程DNA切割蛋白Cas9，使EvolvR成為CRISPR工具箱中最新的巧妙設(shè)備。IGI團(tuán)隊(duì)將Cas9用于一種名為DNA聚合酶的酶。Cas9被編程以在生物體的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR使用Cas9的特殊“切口”版本，只切割兩條DNA鏈中的一條。Cas9發(fā)出一個(gè)缺口，發(fā)出DNA聚合酶的信號(hào)，剝離該鏈并用新的DNA替換它。聚合酶會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，寫入與原始DNA序列不同的DNA序列，就像鍵盤上的眾所周知的猴子一樣。

由于多樣性是目標(biāo)，聚合酶的“錯(cuò)別字”是一件好事?？茖W(xué)家可以使用EvolvR故意制造隨機(jī)突變，創(chuàng)造出數(shù)百萬種不同的序列組合，并且可能發(fā)現(xiàn)至少一種具有他們想要的效果。

定向進(jìn)化技術(shù)不斷發(fā)展

這種方法是實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)多樣化的一種全新方式，打開了與早期策略保持聯(lián)系的大門。其他方法依賴于迫使隨機(jī)化DNA片段的大量“庫”進(jìn)入細(xì)胞。這是耗時(shí)且昂貴的，并且并非所有細(xì)胞都容易吸收外部DNA。EvolvR解決了以前方法的這些和其他幾個(gè)缺點(diǎn)。“它不像許多其他技術(shù)那樣需要雙鏈斷裂，”Dueber指出。“雙鏈斷裂對(duì)許多細(xì)胞都有毒。它也不需要復(fù)雜的修復(fù)途徑，許多有趣的生物都沒有。”

因此，該工具應(yīng)該可以在任何物種中使用，并且測(cè)試這個(gè)想法是團(tuán)隊(duì)緊接著的后續(xù)步驟之一。雖然它的試驗(yàn)場(chǎng)是在細(xì)菌中，但在人類或植物細(xì)胞等真核生物中使用時(shí)，多功能平臺(tái)將更加強(qiáng)大。“EvolvR作為一種獨(dú)立于物種的定向進(jìn)化工具具有巨大的潛力，”Schaffer說。“它已經(jīng)可以在DNA區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生單個(gè)突變或變化組合，長(zhǎng)度范圍從大約十幾個(gè)到幾百個(gè)堿基對(duì)。”Dueber補(bǔ)充道，“我們有興趣制作一個(gè)適用于EvolvRs的工具包。我們?cè)O(shè)想的系統(tǒng)具有更高的突變率或影響更大的窗口。有很多想法可以嘗試。”

Halperin指出了該系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)展特征的早期方法包括一些勞動(dòng)密集型的多樣化和選擇。“在之前的定向進(jìn)化實(shí)驗(yàn)中，我們放棄了大自然所做的事情。因?yàn)槲覀兊墓ぞ呖梢圆粩嗵峁┠繕?biāo)基因的多樣性，我們可以不斷豐富更好和更好的特性，更接近自然進(jìn)化過程。”EvolvR實(shí)驗(yàn)可以在研究人員想要的時(shí)候繼續(xù)進(jìn)行，一遍又一遍地改變基因序列并創(chuàng)造更多成功機(jī)會(huì)。

去比賽

預(yù)先設(shè)想的可能性太多了，EvolvR背后的團(tuán)隊(duì)希望其他科學(xué)家能夠創(chuàng)造并運(yùn)用它。“我們很高興其他人加入我們使用這個(gè)工具并改進(jìn)它，”Halperin說。Schaffer渴望實(shí)施該工具，以“加速生物分子的開發(fā)，用于人類治療應(yīng)用，從新藥到新藥遞送技術(shù)。”

研究人員特別興奮的是將EvolvR與另一種最受歡迎??的CRISPR工具箱高通量CRISPR篩選相結(jié)合。這種有效的技術(shù)配對(duì)可以讓他們?cè)谝淮螌?shí)驗(yàn)中使數(shù)千種不同的基因多樣化，從而創(chuàng)造出全新的功能，而不僅僅是打開和關(guān)閉基因。

使用EvolvR多樣化的一滴細(xì)菌含有巨大的多樣性。在那一滴中可能隱藏著什么開創(chuàng)性的潛力?正如Kahlil Gibran曾寫道的那樣，“在一滴水中找到了所有海洋的所有秘密。”盡管Gibran的詩意尚未完全實(shí)現(xiàn)，但我們正在迅速接近它。

該研究發(fā)表在Nature雜志的在線版上，“CRISPR-guided DNA聚合酶可以在可調(diào)窗口中實(shí)現(xiàn)所有核苷酸的多樣化”。