加速蛋白质进化的新技术

　　所有的生物都需要蛋白质，蛋白质这个巨大的分子家族，是大自然根据基因中的蓝图定制而来的。

　　通过自然的进化过程，DNA突变会产生新的或更有效的蛋白质。人类已经发现了这些分子有那么多的替代用途——作为食品、工业酶、抗癌药物，因此，科学家们渴望更好地了解如何设计用于特定用途的蛋白质变体。

　　现在，斯坦福大学的工程师们发明了一种技术，可以显著加速为了这一目的的蛋白质进化。这项技术，发表在最近的《Nature Chemical Biology》，可允许研究人员测试一个给定蛋白质的上百万个变体，为某些工作选择最佳的变体，并确定产生这一变体的DNA序列。

　　生物工程学教授Jennifer Cochran和斯坦福大学光子学研究中心主任Thomas Baer是本文共同通讯作者，Cochran指出：“进化，适者生存，发生在短短的几千年时间里，但是，我们现在可以在几小时或几天的时间里指导蛋白质的进化。”

　　Baer说：“这是一种实用的、通用的系统，具有很广泛的应用，研究人员将会发现它很容易使用。”

　　通过将Cochran的蛋白质工程技术与Baer在激光仪器方面的专长相结合，该研究团队创建了一种工具，可以在几小时的时间内检测数百万个蛋白变体。

　　加州理工学院化学工程学院教授Frances Arnold没有参与这项研究，但他指出：“这项技术让人印象深刻，我期待着这项技术得到更广泛的应用。”

　　产生一百万个突变体

　　研究人员将他们的工具命名为µSCALE（Single Cell Analysis and Laser Extraction）。

　　“µ”代表保留蛋白质样品的微细管玻璃片。玻片的尺寸大约有一个便士的大小和厚度，但在那个空间里，有一百万个毛细管像吸管一样排列，上面和底部都打开了。

　　µSCALE的力量在于，使研究人员能够立足于当前的生化技术，同时运行一百万个蛋白质实验，然后提取和进一步分析最有希望的结果。

　　研究人员首先采用一个称为“诱变”的过程，在特定基因中产生随机变异。这些突变被插入到几批的酵母或细菌细胞中，这些细胞表达改变了的基因，并产生数以百万计的随机蛋白变体。

　　µSCALE用户将数百万个不透明的小玻璃珠混合到含有数百万个酵母或细菌的样本中，并将混合物涂抹到一个微细管玻片上。少量的液体滴入每一根管子中，携带单个细胞。表面张力会困住每个毛细管中的液体和细胞。

　　具有这百万个酵母或细菌的玻片，以及它们产生的蛋白质变体，被插入到µSCALE装置中。一个软件控制着显微镜观察到每一个毛细管，并获取发生在其中的生化反应的图像。

　　一旦µSCALE用户确定了感兴趣的毛细管，研究人员就可以用Baer设计的一种巧妙的方法，指导激光提取这根毛细管的内容物，而不破坏它邻近的毛细管。

　　Baer说：“珠子使我们能够进行提取。激光提供能量来移动珠子，这打破了表面张力，并释放出毛细管中的样品。”

　　因此，µSCALE将单根毛细管的内容物放到一个集热板上，在那里，分离的细胞的DNA可以进行测序，从而识别引起感兴趣蛋白质的基因变异。

　　Cochran实验室的博士后Bob Chen编制了一个软件，来检测试管内感兴趣的蛋白质活动，他表示：“µSCALE的一个独到之处在于，它能让研究人员从成百上千个其他细胞中，快速分离出单个想得到的细胞。”

　　研究人员通过µSCALE收集和再加工了有用的蛋白质变体，以进一步发展和优化蛋白。

　　Cochran说：“这是一种令人兴奋的新工具，回答关于蛋白质的重要问题，把µSCALE比作基因分析的高通量工具，可使研究人员能够解开人类疾病背后的生物学相关的关键特征。”

　　成因与证明

　　这个项目始于五年前，当时Baer和合作者Ivan Dimov开发了第一个仪器。他们展示了如何在微细管阵列中确定细胞类型，并用玻璃微珠和一束聚焦的激光，提取单个毛细管的内容物。

　　大约三年前，Cochran和Baer联手开发了µSCALE用于蛋白质工程，并且该团队设计了三个实验来展示µSCALE的实用性和灵活性。

　　在一个实验中，研究人员筛选了酵母细胞中产生的一个蛋白质库，以选择最紧密结合肿瘤靶点的抗体。具有高靶向结合亲和力的抗体，已知可有效地对抗癌症。

　　在另一个例子中，他们设计了一种亮橙色的荧光蛋白传感器。使用µSCALE，他们比以前的方法快了近10倍。这种生物传感器，在各种各样的生物学实验中通常被用作标记。

　　三分之一实验是与斯坦福大学生物化学教授Daniel Herschlag一起完成的，用µSCALE来改进一个模型酶。Herschlag说：“该系统将允许我们探索酶之间的进化和功能关系，指导新酶的设计，可用以进行新的有益反应。”