科学探索|新的机器人平台加速了实验室中分子的定向进化

使用一个新的机器人平台 , 研究人员可以同时跟踪数百个微生物种群 , 因为它们正在进化新的蛋白质或其他分子 。自然进化是一个缓慢的过程 , 它依赖于基因突变的逐步积累 。近年来 , 科学家们已经找到了在小范围内加速这一过程的方法 , 使他们能够在实验室中快速创造新的蛋白质和其他分子 。

科学探索|新的机器人平台加速了实验室中分子的定向进化
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一个新的机器人平台可以将定向进化的速度提高100倍以上 , 并允许同时监测数百个进化中的种群 。这项工作是由麻省理工学院媒体实验室的Kevin Esvelt及其同事领导的

这种被广泛使用的技术 , 即定向进化 , 已经产生了治疗癌症和其他疾病的新抗体 , 用于生物燃料生产的酶 , 以及用于磁共振成像(MRI)的成像剂 。
麻省理工学院的研究人员现在已经开发出一个机器人平台 , 可以并行进行100倍的定向进化实验 , 让更多的人群有机会提出解决方案 , 同时实时监测其进展 。除了帮助研究人员更迅速地开发新的分子 , 这项技术还可以用来模拟自然进化 , 并回答关于它如何工作的基本问题 。
"传统上 , 定向进化更像是一门艺术 , 而不是一门科学 , 更不是一门工程学科 。"麻省理工学院媒体实验室的助理教授、这项新研究的资深作者凯文-埃斯维尔特(Kevin Esvelt)说:"在你能够系统地探索不同的排列组合并观察其结果之前 , 这仍然是事实 。"
麻省理工学院研究生Erika DeBenedictis和博士后Emma Chory是该论文的主要作者 , 该论文今天发表在《自然方法》上 。
定向进化通过加快新的突变的积累和选择而发挥作用 。例如 , 如果科学家想创造一种能与癌症蛋白结合的抗体 , 他们将从一个由数亿个酵母细胞或其他微生物组成的试管开始 , 这些细胞已被设计为在其表面表达哺乳动物的抗体 。这些细胞将被暴露在研究人员希望抗体结合的癌症蛋白上 , 研究人员将挑选出那些结合效果最好的细胞 。然后 , 科学家们将在抗体序列中引入随机突变 , 再次筛选这些新的蛋白质 。这个过程可以重复很多次 , 直到出现最佳候选者 。
大约10年前 , 作为哈佛大学的一名研究生 , Esvelt开发了一种加速定向进化的方法 。这种方法利用噬菌体(感染细菌的病毒)来帮助蛋白质更快地朝着理想的功能进化 。研究人员希望优化的基因与噬菌体生存所需的基因相联系 , 病毒之间相互竞争 , 以优化蛋白质 。选择过程是连续进行的 , 将每一轮突变缩短到噬菌体的寿命(大约20分钟) , 并且可以重复许多次 , 不需要人类干预 。
使用这种被称为噬菌体辅助连续进化(PACE)的方法 , 定向进化可以比传统定向进化实验快10亿倍 。然而 , 进化往往不能得出解决方案 , 需要研究人员猜测哪一组新的条件会做得更好 。
新的《自然方法》论文中描述的技术 , 研究人员将其命名为噬菌体和机器人辅助的近连续进化(PRANCE) , 可以使用不同的条件 , 平行进化100倍的种群 。
在新的PRANCE系统中 , 噬菌体种群(只能感染特定菌株)在96孔板的孔中生长 , 而不是在单个生物反应器中生长 。这使得更多的进化轨迹可以同时发生 。每个病毒群体在经历进化过程时都由一个机器人监控 。当病毒成功生成所需的蛋白质时 , 它会产生一种机器人可以检测到的荧光蛋白 。