傳統(tǒng)的方法是從自然界的不同物種中通過(guò)功能篩選獲得生物元素可是，傳統(tǒng)方法選擇和挖掘可用構(gòu)件的效率往往有限，得到的構(gòu)件功能不能滿足要求因此，科學(xué)家期望通過(guò)定向進(jìn)化獲得具有特定功能的生物元素

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉和傅研究員基于對(duì)微生物在空間生長(zhǎng)和遷移的定量認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)了一套連續(xù)定向進(jìn)化系統(tǒng)——空間噬菌體輔助連續(xù)進(jìn)化系統(tǒng)SPACE利用每一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室里的小平板，將建庫(kù)和篩選生物元素兩個(gè)步驟合二為一，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的高度簡(jiǎn)化可以并行進(jìn)行數(shù)百次定向進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，一天可以完成數(shù)十輪進(jìn)化相關(guān)研究成果最近幾天發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《分子系統(tǒng)生物學(xué)》上

可是，如果我們想同時(shí)進(jìn)化多個(gè)目標(biāo)蛋白，還缺乏一種簡(jiǎn)單的定向進(jìn)化技術(shù)另一方面，PACE系統(tǒng)需要連續(xù)培養(yǎng)裝置，復(fù)雜的流速控制和檢測(cè)設(shè)備以及一定的操作技能，因此不容易在普通實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)

通過(guò)參考PACE系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)計(jì)，劉和傅團(tuán)隊(duì)建立了SPACE系統(tǒng)該系統(tǒng)大大提高了操作的簡(jiǎn)便性和元件突變體的篩選效率，為連續(xù)定向進(jìn)化開(kāi)辟了一條創(chuàng)新之路

2019年，劉團(tuán)隊(duì)利用細(xì)菌遷移進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，揭示了不同遷移速率細(xì)菌的空間定殖規(guī)律，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的定量公式，該公式包含了細(xì)菌定殖范圍的面積，移動(dòng)速度和生長(zhǎng)速度三個(gè)關(guān)鍵因素根據(jù)該公式，在已知空間大小的條件下，可以計(jì)算出遷移和進(jìn)化的最優(yōu)策略在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌遷移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中加入了新元素——噬菌體，構(gòu)建了細(xì)菌—噬菌體共遷移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)大量的定量實(shí)驗(yàn)和理論建模分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)噬菌體可以伴隨著細(xì)菌的空間遷移形成一個(gè)扇形的感染區(qū)域，這個(gè)扇形區(qū)域的大小與噬菌體感染宿主并復(fù)制擴(kuò)增的能力成正相關(guān)更重要的是，與細(xì)菌的遷移和進(jìn)化不同，噬菌體的進(jìn)化主要發(fā)生在扇形感染區(qū)的側(cè)邊

SPACE在PACE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用細(xì)菌—噬菌體共遷移的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使沒(méi)有運(yùn)動(dòng)能力的噬菌體在空間擴(kuò)張過(guò)程中被細(xì)菌攜帶并廣泛傳播基于共遷移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)的相似性，團(tuán)隊(duì)用一般生物實(shí)驗(yàn)室中最常見(jiàn)的軟瓊脂平板取代了原來(lái)體積龐大，需要復(fù)雜控制的液體連續(xù)培養(yǎng)裝置

即在如此小的平板上，空間系統(tǒng)可以利用突變體之間對(duì)優(yōu)勢(shì)空間的競(jìng)爭(zhēng)，即不同強(qiáng)度的突變體可以在空間上自發(fā)分離，從而更高效地完成篩選過(guò)程同時(shí)，研究人員可以直接通過(guò)平板表面細(xì)菌表面肉眼可見(jiàn)的噬菌體感染面積大小來(lái)判斷進(jìn)化是否成功，而不需要借助檢測(cè)設(shè)備

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