生活多姿多彩。 通过服用抗生素来阻止感染或使用酵母酿造啤酒，我们正在选择自然进化的有用产品和工艺。 但是当我们想要的特性在自然界中找不到时会发生什么？
创新基因组学研究所的科学家们炮制了一种变革性的新方法来利用进化的力量。 今天在 自然，由在加州大学伯克利分校 David Schaffer 和 John Dueber 实验室工作的博士生 Shakked Halperin 领导的研究人员描述了另一种创造性的应用 CRISPR: 一个平台来刺激特定的进化 基因 内 细胞. 他们创造性的新系统“EvolvR”让科学家们改变了 的DNA 他们选择的基因中的字母，直到他们找到恰到好处的变异。 该技术开辟了无数的可能性，例如工程酵母有效地将废物转化为生物燃料，或开发新的人类疗法。
不只是胡闹
想象一只猴子坐在键盘前。 如果有无限的时间随机按键，猴子几乎肯定会打出威廉·莎士比亚的全部作品。
至少，这是根据“无限猴子定理。” 自然 DNA 变异类似于这个过程——随着时间的推移，随机变化会在整个 基因组 不同的个体生物。
理论上，在无限的时间里，遗传字母的每一种可能的变异都会存在。 然而，在实际的人类时间线上，只有极少数可能的变化会出现。
现在想象一下，我们可以告诉猴子只重写莎士比亚戏剧中的特定页面 “麦克白”. 仅限于这个狭窄的窗口，猴子会以更快的速度输入页面文本的所有可能变化。 这就是 EvolvR 让科学家们做的事情。 他们只想要单个基因的新版本，因此重写整个基因组是不切实际的，并且可能对活细胞有毒。 通过一次只对一个基因进行加扰，就可以对大量变异进行采样。
轻弹“进化”开关
EvolvR 可让科学家在实验室中的一天内推动基因完成整个进化过程。 该系统建立在可编程的DNA切割之上 蛋白质 Cas9，使 EvolvR 成为 CRISPR 工具箱中最新的巧妙设备。 IGI 团队将 Cas9 连接到一个 酶 称为 DNA 聚合酶。 Cas9 被编程为在生物体的 DNA 中找到特定的目标序列。 EvolvR 使用一个特殊的“刻痕” Cas9 版本，只切割两个 DNA 之一 股. Cas9 制作了一个 缺口，发出信号让 DNA 聚合酶剥离链并用新的 DNA 替换它。 聚合酶会出错，写入与原始 DNA 序列不同的 DNA 序列，就像众所周知的键盘上的猴子一样。
由于多样性是目标，聚合酶的“错别字”是一件好事。 科学家可以使用 EvolvR 故意制造随机 突变，创建数百万种不同的序列组合，并可能至少找到一种具有他们想要的效果的组合。
定向进化技术进化
这种方法是一种从根本上使生物系统多样化的新方法，打开了用早期策略锁住的大门。 其他方法依赖于将庞大的随机 DNA 片段“库”强加到细胞中。 这既费时又昂贵，而且并非所有细胞都容易吸收外部 DNA。 EvolvR 克服了以前方法的这些和其他几个缺点。 “它不需要一个 双链断裂 就像许多其他技术一样，”Dueber 指出。 “双链断裂对许多细胞有毒。 它也不需要复杂的修复途径，这是许多有趣的生物所没有的。”
因此，该工具应该适用于任何物种，而测试这个想法是团队接下来的直接步骤之一。 虽然它的试验场在 菌，多功能平台在使用时会更加强大 真核生物，如人类或植物细胞。 “EvolvR 作为一种独立于物种的定向进化工具具有巨大的潜力，”Schaffer 说。 “它已经可以跨 DNA 区域进行单个突变或变化组合，范围从大约十几个到几百个不等。 碱基对 长。” Dueber 补充道，“我们有兴趣制作一个适度的 EvolvRs 工具包。 我们设想具有更高突变率或影响更大窗口的系统。 有很多想法可以尝试。”
Halperin 指出了该系统的另一个关键优势。 在实验室中进化特征的早期方法只包括几轮劳动密集型的多样化和选择。 “在之前的定向进化实验中，我们远离了大自然所做的事情。 因为我们的工具可以持续提供目标基因的多样性，我们可以不断丰富越来越好的性状，更接近自然进化过程。” 只要研究人员愿意，EvolvR 实验就可以继续进行，一遍又一遍地改组基因序列并创造更多成功机会。
去比赛
几乎有太多的可能性可以预先设想，而 EvolvR 背后的团队希望其他科学家能够利用他们的创造并运行它。
“我们很高兴其他人加入我们使用这个工具并改进它，”Halperin 说。 Schaffer 渴望实施该工具，以“加速用于人类治疗应用的生物分子的开发，从新药到新的给药技术。”
研究人员对将 EvolvR 与另一个最受欢迎的高通量 CRISPR 工具箱相结合感到特别兴奋 CRISPR筛选. 这种强大的技术配对可以让他们在一次实验中使数千种不同的基因多样化，可能会创造全新的功能，而不仅仅是打开和关闭基因。
一滴用 EvolvR 多样化的细菌包含巨大的多样性。 在那一滴水里可能隐藏着什么开创性的潜力？ 正如卡利尔·纪伯伦 (Kahlil Gibran) 曾经写道：“在一滴水中可以找到所有海洋的所有秘密。” 虽然纪伯伦的诗意远景还没有完全实现，但我们正在迅速接近它。
-
这项研究发表在该杂志的网络版上 自然 作为“CRISPR 引导的 DNA 聚合酶可在可调窗口中实现所有核苷酸的多样化。” 除了 Dueber、Halperin 和 Schaffer，该作品的合著者还有 Connor Tou、Eric Wong 和 Cyrus Modavi。 该研究由创新 基因组学 研究所。
创新基因组学研究所 (IGI) 是加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校之间的一个非营利性学术合作机构，支持整个湾区的合作研究项目。 IGI 的使命是开发和部署 基因组工程 治愈疾病，确保粮食安全，并为今世后代维持环境。 作为基因组编辑、功能基因组学和其他尖端技术的先驱，IGI 科学家不断突破科学的界限。
媒体联系
约翰·杜伯： jdueber@berkeley.edu
颤抖的哈珀林： 摇摇@berkeley.edu
大卫·谢弗： 沙弗@berkeley.edu
