В процессе, известном как направленная эволюция, ученые реконструируют биомолекулы, чтобы найти те, которые выполняют новые полезные функции. Эта область произвела революцию в разработке лекарств, химической инженерии и других областях применения, но реализация ее перспектив требует кропотливой и трудоемкой лабораторной работы.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Cell Калифорнийского университета, исследователи из Ирвайна сообщили, что они ускорили и упростили направленную эволюцию, заставив живые клетки выполнять большую часть тяжелой работы. Внедрив специально разработанную систему репликации ДНК в дрожжи, ученые смогли заставить выбранные гены быстро и стабильно мутировать и развиваться по мере воспроизводства дрожжевых клеток-хозяев.
«Целенаправленно перемещая высокие темпы диверсификации в клетки, мы можем расти и оказывать давление на эти клетки, чтобы они эволюционировали во что-то новое из любых генов по нашему выбору», - сказал первый автор Арджун Равикумар, получивший докторскую степень. Д. в биомедицинской инженерии в UCI в начале этого месяца. «Наша работа превратила эволюцию в чрезвычайно быстрый, простой и масштабируемый процесс».
Ранее, чтобы проверить биомолекулы, чтобы увидеть, была ли достигнута желаемая функция, им нужно было создать библиотеку ДНК в пробирке и вставить эту ДНК в клетки, что было трудоемким и сложным процессом. Команда UCI полностью исключила этот шаг в своем новом подходе, позволив внутреннему механизму клетки выполнять всю работу.
По словам старшего автора Чанг Лю, доцента кафедры биомедицинской инженерии UCI, при использовании направленной эволюции для создания лучшего фермента или белка - работа, за которую в этом году была присуждена Нобелевская премия по химии - количество эволюционных циклов становится очень важно, потому что каждый из них можно рассматривать как шаг к новой или улучшенной функции.«Но если каждый цикл требует повторяющейся молекулярно-биологической обработки ДНК в пробирке, вы можете разумно пройти только несколько итераций», - сказал он..
«Напротив, естественная эволюция проходит циклы непрерывно, в основном путем культивирования клеток с течением времени в среде, которая заставляет их развивать какую-то новую функцию; проблема с точки зрения биомолекулярной инженерии заключается в том, что этот процесс очень медленный», - Лю. добавлен. «Мы выяснили генетическую архитектуру, которая позволяет биомолекулярной эволюции быть очень быстрой».
В дополнение к ускорению и упрощению направленной эволюции, Лю сказал, что эта новая техника может позволить ученым проводить дополнительные типы экспериментов, которые им было трудно проводить в прошлом. Например, в своем исследовании исследователи UCI описали, как они развили фермент в 90 повторных экспериментах, чтобы выяснить все способы, которыми он может адаптироваться к определенным условиям - в данном случае, как у малярийной мишени может развиться устойчивость к определенному лекарству..
Существует много способов решения конкретной эволюционной проблемы, такой как устойчивость к лекарствам, поэтому возможность проводить эволюционные эксперименты в том масштабе, который у нас есть, позволяет нам улавливать и понимать больше этих возможностей, давая нам терапевтически важные идеи. как возникает сопротивление», - сказал Лю.
Будущая работа будет сосредоточена на создании новой платформы для непрерывной разработки антител для борьбы с болезнями и ценных ферментов для синтеза лекарств, добавил он.
«Вместо того, чтобы вводить антиген животному для выделения антитела, представьте, что вы просто помещаете его в культуру дрожжевых клеток и получаете специфическое антитело», - сказал он. «Это может революционизировать то, как эти и другие белковые препараты открываются и разрабатываются».
Фрэнсис Арнольд, профессор химического машиностроения, биоинженерии и биохимии Линуса Полинга в Калифорнийском технологическом институте, получившая Нобелевскую премию по химии 2018 года за свой новаторский вклад в эту область, сказала: «Направленная эволюция - это мощный способ создания новых белков, но он, безусловно, может извлечь выгоду из технологических инноваций. Техника, разработанная профессором Лю и доктором Равикумаром, будет стимулировать новые приложения и новые направления исследований, которые продолжат расширять наши возможности по созданию новой ДНК».