Continuous target-specific mutagenesis and rapid gene evolution by diversity-generating retroelements in Escherichia coli
本文证明了多样性生成逆转录元件（DGRs）可以在大肠杆菌中进行工程化改造，并与水平基因转移相结合，从而构建一个简单、可编程的系统，用于对靶基因进行连续、迭代且具有位置特异性的诱变，从而实现诸如吡咯赖氨酰-tRNA 合成酶等蛋白质在生物技术应用中的快速进化。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
想象一下你是一位试图发明新食谱的大厨。你可以尝试一次性改变整本食谱，但这会造成混乱，很可能会毁掉这道菜。或者，你可以尝试只改变某一个句子中的一种特定香料，但如果纯手工进行，过程会既缓慢又乏味。这就是“定向进化”面临的挑战——这是一个研究人员试图加速自然界的试错过程，以创造更好的蛋白质、药物和材料的科学领域。长期以来，科学家们必须在实验室中混合化学物质来创造随机突变，挑选出优胜者，然后重新开始。这就像是通过每小时建造一个新的草堆，来试图在一堆草中寻找一根特定的针。最近，科学家们发现了一种可以在活体细胞内进行此操作的方法，让它们能够持续进化。然而，这些活体“工厂”经常会变得疲劳、困惑，或者破坏它们本应遵循的指令。一个重大的问题是：我们能否构建一个系统，让蛋白质的某个特定部分不断地、循环往复地进化，而不会导致工厂崩溃或指令变得混乱？
本文介绍了一种被称为 HGT-DGR 的巧妙解决方案，它就像一条用于进化蛋白质的高速、自我更新的装配线。研究人员提取了病毒中发现的一种天然“超突变”系统，即多样性生成逆转录元件（DGRs），并将其安装在埃科利大肠杆菌（E. coli）中。可以将 DGR 想象成一台神奇的复印机，它不仅仅是复制一页纸，而是特意在目标句子的特定字母（仅限字母“A”）上涂鸦出随机的新单词。问题在于这台复印机非常凌乱：它不断在自己的说明书（模板）上涂鸦，最终抹去了它维持运作所需的规则，而宿主细菌也会因此精疲力竭。
为了解决这个问题，团队发明了一种“接力赛”策略。他们没有让一批细菌一直跑完比赛直到崩溃，而是每隔几天就把接力棒——即他们想要进化的基因——传递给一群新鲜、健康的细菌。他们利用了一种被称为“结合作用”（conjugation）的天然细菌过程来实现这一点，这就像两个细菌握手并交换一小段环状 DNA（质粒）。通过不断将进化的基因转移到拥有新鲜、未受损说明书的新宿主中，该系统可以在不发生故障的情况下，持续对目标基因进行数周的突变。
结果令人印象深刻。在进行了为期七天的接力赛后，团队发现培养物中约有 40% 的细菌携带了目标基因的突变版本。这些突变并非随机的混乱；它们非常精准，按照设计命中特定的位置。库中的平均基因大约有 6% 的“A”字母发生了变化，从而创造了海量的蛋白质新版本。为了证明其有效性，他们利用该系统进化了一种名为 MmPylRS 的酶，这种酶被用于向蛋白质中添加特殊的、非标准的构建模块。他们成功引导该酶接受了两种不同的新构建模块，表明该系统可以被重新编程以针对基因的不同部分并进化出新的功能。论文指出，这种方法是一种简单、低成本的方式，用于生成庞大的蛋白质变体库，这对于设计新药或训练人工智能模型以理解蛋白质如何运作将极其有用。
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