在一个称为定向进化的过程中，科学家重新设计生物分子，以寻找具有有益新功能的生物分子。这一领域正在彻底改变药物开发、化学工程和其他应用，但实现其承诺涉及艰巨而耗时的实验室工作。在今天发表在《细胞学杂志》上的一项研究中，加州大学欧文分校的研究人员报告说，他们通过让活细胞做大多数繁重的工作来加速和简化定向进化。通过在酵母中插入一个特别设计的DNA复制系统，科学家可以在宿主酵母细胞复制时，快速稳定地欺骗选定的基因发生突变和进化。

“通过有针对性地将高比例的多样性转移到细胞中，我们可以从我们选择的任何基因中生长和抑制这些细胞，以开发出新的东西，”第一位获得博士学位的作者Arjun Ravikumar说。UCI大学的生物医学工程。"我们的工作将进化简化为一个极其快速、直接和可扩展的过程."此前，为了让科学家筛选生物分子以确定它们是否实现了所需的功能，他们需要在试管中构建一个DNA文库，并将DNA插入细胞中，这是一个艰难而艰巨的过程。UCI团队用他们的新方法完全取消了这一步，让细胞的内部机器做所有的工作。

根据UCI生物医学工程助理教授的资深作者刘畅的说法，当定向进化被用于创造更好的酶或蛋白质时——这项工作获得了今年的诺贝尔化学奖——进化周期的数量变得非常重要，因为每一次进化都可以被视为朝着新功能或改进功能迈出的一步。“但如果每个周期都需要重复的体外DNA分子生物学治疗，那么你只能进行合理的迭代次数，”他说。“相比之下，自然进化保持循环，主要是在迫使细胞发展一些新功能的环境中培养细胞；从生物分子工程的角度来看，问题是这个过程非常缓慢，”刘补充说。"我们已经发现了一种允许生物分子快速进化的基因结构."

除了加速和简化定向进化，刘说，这项新技术可以让科学家进行其他类型的实验，这在过去是很难做到的。例如，在他们的研究中，UCI的研究人员描述了他们如何在90次重复实验中进化出一种酶，以找出它适应某种疾病的所有方式——在这种情况下，疟疾目标如何产生对特定疾病的抗药性。“有许多方法可以解决特定的进化挑战，如耐药性，因此有可能在我们的规模上进行进化实验，这使我们能够捕捉和理解更多的可能性，并为我们提供关于耐药性的治疗相关的见解，”刘说。他补充说，未来的工作将专注于获得新的平台，以持续开发抗病抗体和用于药物合成的有价值的酶。“为了分离抗体，没有必要将抗原注射到动物体内。想象一下，只要把它放在酵母细胞培养物中，它就会作为一种特定的抗体出现，”他说。“这可能会彻底改变这些和其他蛋白质药物的发现和开发方式。”