在“小平板”上建生物元件生产“工厂”

传统的方法是从自然界的不同物种中通过功能筛选获得生物元素。然而，传统方法选择和挖掘可用构件的效率往往有限，得到的构件功能不能满足要求。因此，科学家期望通过定向进化获得具有特定功能的生物元素。

中科院深圳先进技术研究院刘和傅研究员基于对微生物在空间生长和迁移的定量认识，开发了一套连续定向进化系统——空间噬菌体辅助连续进化系统。SPACE利用每一个普通实验室里的小“平板”，将建库和筛选生物元素两个步骤合二为一，实现了实验装置的高度简化。可以并行进行数百次定向进化实验，一天可以完成数十轮进化。相关研究成果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两个步骤:建库和筛选。多轮进化往往需要大量的重复操作，耗费人力物力。2011年，哈佛大学开发了噬菌体辅助连续进化系统，这是定向进化领域的重大突破。有了这个系统，蛋白质可以在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。整个过程不需要人工干预，大大节省了技术人员的劳动。目前，该系统已广泛应用于RNA聚合酶、TALEN、Cas9、碱基编辑器等重要酶的进化中。

然而，如果我们想同时进化多个目标蛋白，还缺乏一种简单的定向进化技术。另一方面，PACE系统需要连续培养装置、复杂的流速控制和检测设备以及一定的操作技能，因此不容易在普通实验室开展实验。

通过参考PACE系统中的相关设计，刘和傅团队建立了SPACE系统。该系统大大提高了操作的简便性和元件突变体的筛选效率，为连续定向进化开辟了一条创新之路。

2019年，刘团队利用细菌迁移进化实验，揭示了不同迁移速率细菌的空间定殖规律，提出了一个简单的定量公式，该公式包含了细菌定殖范围的面积、移动速度和生长速度三个关键因素。根据该公式，在已知空间大小的条件下，可以计算出迁移和进化的最优策略。在此基础上，团队在细菌迁移运动系统中加入了新元素——噬菌体，构建了细菌-噬菌体共迁移实验系统。

通过大量的定量实验和理论建模分析，团队发现噬菌体可以随着细菌的空间迁移形成一个扇形的感染区域，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成正相关。更重要的是，与细菌的迁移和进化不同，噬菌体的进化主要发生在扇形感染区的侧边。

SPACE在PACE系统的基础上，利用细菌-噬菌体共迁移的实验系统，使没有运动能力的噬菌体在空间扩张过程中被细菌携带并广泛传播。基于共迁移实验系统与连续培养系统的相似性，团队用一般生物实验室中最常见的软琼脂平板取代了原来体积庞大、需要复杂控制的液体连续培养装置。

即在如此小的平板上，空间系统可以利用突变体之间对优势空间的竞争，即不同强度的突变体可以在空间上自发分离，从而更高效地完成筛选过程。同时，研究人员可以直接通过平板表面细菌表面肉眼可见的噬菌体感染面积大小来判断进化是否成功，而不需要借助检测设备。