生命是極其多樣化的。通過服用抗生素來阻止感染或使用酵母釀造啤酒，我們正在使用通過自然進化產(chǎn)生的有用產(chǎn)品和過程。但是，當(dāng)我們想要的性狀在自然界中無法找到時會發(fā)生什么？

在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所的研究人員開發(fā)出一種利用進化力量的變革型新方法。相關(guān)研究結(jié)果于2018年8月1日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window”。論文通信作者為加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所的David Schaffer和John Dueber，論文作者為在Schaffer實驗室和Dueber實驗室從事科研的博士生Shakked Halperin。這些研究人員描述了CRISPR的另一個創(chuàng)造性應(yīng)用：一種促進細胞內(nèi)特定基因進化的平臺。他們創(chuàng)造性的新系統(tǒng)“EvolvR”讓科學(xué)家們能夠在他們選擇的基因中重組DNA堿基，直到找到恰到好處的變異。這種技術(shù)開辟了無數(shù)的可能性，如通過改造構(gòu)建出地將廢物轉(zhuǎn)化為生物燃料的酵母，或開發(fā)新的人類療法。

圖片來自Shakked Halperin。

并不是毫無意義

想象一只猴子坐在鍵盤上。如果給予無限的時間隨機地按鍵，這只猴子幾乎肯定會輸入威廉•莎士比亞的全部作品。至少，這是根據(jù)“無限猴子定理（infinite monkey theorem）”得出的結(jié)論。DNA的自然變異類似于這一過程---隨著時間的推移，不同有機體的基因組中都會出現(xiàn)隨機變化。理論上，在無限長的時間內(nèi)，DNA堿基的每一種可能的變異都將存在。然而，在實際的人類時間線上，僅很小一部分可能的變化將會出現(xiàn)。

如今想象一下，我們能夠告訴這只猴子僅重寫莎士比亞悲劇《麥克白》的特定頁面。在這個這個狹小的頁面窗口的限制下，這只猴子會非常快地輸出這些頁面中的文本的每個可能的變化。這就是EvolvR讓科學(xué)家們所做的事情。他們僅想要獲得單個基因的新版本，因此重寫整個基因組是不切實際的，并且可能對活細胞是有害的。通過每次僅對一個基因進行干擾，就有可能對大量的變異進行取樣。

輕擊“進化（evolve）”開關(guān)

EvolvR讓科學(xué)家們在實驗室中僅在一天內(nèi)讓一個基因經(jīng)歷整個進化過程。該系統(tǒng)基于可編程的DNA切割蛋白Cas9，這就使得EvolvR成為CRISPR工具箱中的一種性工具。這些研究人員將Cas9結(jié)合到一種被稱作DNA聚合酶的酶上。Cas9經(jīng)編程后在有機體的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR使用Cas9的一種特殊“切口（nicking）”版本，僅切割兩條DNA鏈中的一條。Cas9在一條DNA鏈上產(chǎn)生一個切口，這就指示DNA聚合酶移除這條鏈并用新的DNA替換它。DNA聚合酶會產(chǎn)生錯誤，構(gòu)建出與原始DNA序列不同的DNA序列，就像鍵盤上的猴子按鍵一樣。

鑒于多樣性就是人們想要的目標(biāo)，DNA聚合酶產(chǎn)生的“打字錯誤”是一件好事?？茖W(xué)家們能夠利用EvolvR故意地產(chǎn)生隨機突變，從而構(gòu)建出數(shù)百萬種不同的序列組合，并且可能至少發(fā)現(xiàn)一種具有他們想要的效果的序列組合。

定向進化技術(shù)不斷發(fā)展

這種方法是實現(xiàn)生物系統(tǒng)多樣化的一種全新方式，打開了與早期策略相結(jié)合的大門。其他方法依賴于迫使大量的隨機化DNA片段“文庫”進入細胞。這是耗時且昂貴的，并且并非所有細胞都容易攝入外部DNA。EvolvR解決了以前方法中的這些缺點和其他的幾個缺點。 Dueber指出，“它不像許多其他技術(shù)那樣需要雙鏈DNA斷裂。雙鏈斷裂對許多細胞都是有害的。它也不需要復(fù)雜的DNA修復(fù)通路，這是因為許多讓人們感興趣的有機體都沒有這些復(fù)雜的DNA修復(fù)通路。”

因此，這種工具應(yīng)當(dāng)可以在任何物種中使用，而且測試這個想法是這些研究人員馬上就要實施的后續(xù)步驟之一。雖然它的試驗場是在細菌中，但在人類或植物細胞等真核生物中使用時，這種多功能平臺將會變得更加強大。Schaffer說，“EvolvR有巨大的潛力作為一種獨立于物種的定向進化工具。它已經(jīng)可以在長大約十幾個到幾百個堿基對的DNA區(qū)域中進行單個突變或組合突變。”Dueber補充道，“我們有興趣構(gòu)建出一個適用的EvolvR工具包。我們設(shè)想的系統(tǒng)具有更高的突變率或更大影響的窗口。有很多想法可供嘗試。”

Halperin指出了這種系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢。早期在實驗室中產(chǎn)生性狀的方法包括幾輪勞動密集型的多樣化和選擇操作。“在以前的定向進化實驗中，我們沒有借鑒大自然所做的事情。鑒于我們的工具能夠不斷為靶基因提供多樣性，我們能夠不斷地富集越來遠好的性狀，這更接近于自然進化過程。”只要研究人員想要開展多長時間，那么基于EvolvR開展的實驗就可以持續(xù)多長時間，這會一遍又一遍地改變靶基因的序列并創(chuàng)造更多的成功機會。 

出發(fā)

有太多的可能性去想象，而且這些研究人員希望其他科學(xué)家們能夠使用EvolvR。Halperin說，“我們很高興其他人與我們一起使用這個工具并改進它。”Schaffer渴望運用這種工具，以“加速用于人類治療應(yīng)用（從新藥到新藥遞送技術(shù)）的生物分子開發(fā)。”

讓這些研究人員特別興奮的是將EvolvR與另一種受歡迎的CRISPR工具---高通量CRISPR篩選---相結(jié)合。這種強大的技術(shù)組合可以讓他們在一次實驗中給數(shù)千個不同的基因提供多樣化，這潛在地創(chuàng)造出全新的功能，而不僅僅是開啟和關(guān)閉基因。（生物谷）

參考資料：

Shakked O. Halperin, Connor J. Tou, Eric B. Wong et al. CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window. Nature, Published Online: 01 August 2018, doi:10.1038/s41586-018-0384-8.