在“小平板”上建生物元件生产“工厂”

◎赵梓杉 本报记者 刘传书

在传统方法中，生物元件是从自然界不同物种中通过功能筛选获得。而通过传统方法筛选和挖掘可用元件往往效率有限、且获得的元件功能达不到需求。因此，科学家们期望通过定向进化的方式，获得具备特定功能的生物元件。

中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立与傅雄飞研究员团队基于对微生物在空间上生长迁徙的定量理解，开发了一种连续定向进化系统——空间噬菌体辅助连续进化（SPACE）系统。SPACE系统利用每个普通实验室都有的小“平板”，将建库和筛选生物元件两个步骤结合在一起，从而实现实验装置的高度简化，成百上千的定向进化实验可以平行进行，一天时间就可以完成几十轮的进化。相关研究成果于近日发表在国际学术期刊《分子系统生物学》上。

传统的定向进化方法一般分为建库和筛选两个步骤，多轮进化往往需要进行大量的重复操作，耗费人力、物力。2011年美国哈佛大学开发了噬菌体辅助连续进化（PACE）系统，是定向进化领域的一个重大突破。利用该系统能够使蛋白质在24小时内进化60轮，效率是传统实验室进化方法的100倍左右，并且整个过程无需人为干预，大大节省了技术人员的劳动力。目前，该系统已被广泛应用于RNA聚合酶、TALEN、Cas9、碱基编辑器等重要酶类的进化改造。

然而，如果要同时进化多个目标蛋白，目前还缺少一种简便的定向进化技术；另一方面，使用PACE系统进行实验需要连续培养装置、复杂的流速控制与检测设备以及一定的操作技巧，因此普通实验室不太容易开展。

通过借鉴PACE系统中的相关设计，刘陈立与傅雄飞团队建立了SPACE系统。该系统大大提升了操作的简便性及元件突变体的筛选效率，为连续定向进化开辟了创新路径。

2019年，刘陈立团队利用细菌迁徙进化实验，揭示了具有不同迁徙速率的细菌的空间定植规律，并提出了一个简单的定量公式，包含定植范围的面积、细菌运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式，在已知空间大小的条件下，便能算出迁徙进化的最优策略。在此基础上，团队向细菌迁徙运动系统中添加了新要素——噬菌体，构建了细菌—噬菌体共迁移实验体系。

通过大量定量实验与理论建模分析，团队发现噬菌体随着细菌空间迁移可以形成一个扇形的感染区域，而这个扇形区域的大小与噬菌体感染宿主并复制扩增的能力呈正相关关系。更重要的是，与细菌迁徙进化不同，噬菌体的进化主要发生在扇形感染区域的侧边沿。

SPACE系统在PACE系统的基础上，利用细菌—噬菌体共迁移实验体系，使原本没有运动能力的噬菌体能够被处于空间扩张运动过程中的细菌携带，并广泛传播。基于该共迁移实验体系与连续培养系统的相似性，该团队将原本体积庞大且需要较复杂控制的液体连续培养装置替换成了普通生物实验室中最为常见的软琼脂平板。

也就是在这样一块小小的平板上，SPACE系统能利用突变体之间对优势空间的竞争，即不同强度的突变体能够在空间上出现自发的分离，从而更高效地完成筛选过程。与此同时，研究人员还可以直接通过平板表面细菌表层上肉眼可见的噬菌体感染区域的大小来对进化的成功与否进行判断，无需借助检测设备。