Учёные упростили и ускорили метод направленной эволюции в биоинженерии

Метод направленной эволюции, при котором учёные перепроектируют биомолекулы для поиска вариантов с новыми полезными функциями, революционизирует разработку лекарств и химическую инженерию. Однако его реализация требует кропотливой и долгой лабораторной работы.

В исследовании, опубликованном в журнале Cell, учёные из Калифорнийского университета в Ирвайне сообщили об ускорении и упрощении метода, переложив основную работу на живые клетки. Внедрив специально сконструированную систему репликации ДНК в дрожжевые клетки, исследователи заставили выбранные гены быстро и стабильно мутировать и эволюционировать по мере размножения клеток-хозяев.

"Перенеся высокие темпы диверсификации в клетки целенаправленным образом, мы можем выращивать эти клетки и оказывать на них давление, чтобы они эволюционировали во что-то новое из любых выбранных нами генов. Наша работа свела эволюцию к чрезвычайно быстрому, простому и масштабируемому процессу", — заявил первый автор Арджун Равикумар.

Раньше для скрининга биомолекул учёным приходилось создавать библиотеку ДНК в пробирке и вставлять её в клетки. Новая методика полностью исключает этот трудоёмкий этап, позволяя внутренним механизмам клетки делать всю работу.

"Если каждый цикл эволюции требует повторяющихся манипуляций с ДНК в пробирке, вы можете разумно пройти лишь несколько итераций. Мы разработали генетическую архитектуру, которая позволяет биомолекулярной эволюции быть очень быстрой", — пояснил старший автор Чанг Лю.

Новый метод также позволяет проводить ранее трудновыполнимые эксперименты. Например, в своём исследовании команда провела 90 параллельных экспериментов по эволюции фермента, чтобы выяснить все возможные пути адаптации малярийной мишени к определённому лекарству.

"Способность проводить эволюционные эксперименты в таком масштабе позволяет нам понять больше возможных путей возникновения устойчивости, что даёт терапевтически значимые данные", — отметил Лю.

Будущая работа будет сосредоточена на использовании платформы для непрерывной эволюции антител для борьбы с болезнями и ценных ферментов для синтеза лекарств.

"Представьте, что вместо введения антигена в животное для выделения антитела, вы просто помещаете его в культуру дрожжевых клеток и получаете специфическое антитело. Это может революционизировать процесс открытия и разработки белковых препаратов", — добавил учёный.

Фрэнсис Арнольд, лауреат Нобелевской премии по химии 2018 года, отметила: "Разработанная профессором Лю и доктором Равикумаром техника стимулирует новые приложения и направления исследований, расширяя нашу способность создавать новую ДНК".