Ubrzavanje usmjerene evolucije molekula u laboratoriju

Profesor asistent Kevin Esvelt i njegovi kolege u MIT Media Labu razvili su novu robotsku platformu koja može ubrzati usmjerenu evoluciju više od 100 puta i omogućuje praćenje stotina populacija koje se razvijaju u isto vrijeme.

Prirodna evolucija je spor proces koji se oslanja na postupno nakupljanje genetskih mutacija. Posljednjih godina znanstvenici su pronašli načine kako ubrzati proces u maloj mjeri, omogućujući im da brzo stvore nove proteine ​​i druge molekule u svom laboratoriju.

Ova široko korištena tehnika, poznata kao usmjerena evolucija, donijela je nova antitijela za liječenje raka i drugih bolesti, enzime koji se koriste u proizvodnji biogoriva i sredstva za snimanje magnetske rezonancije (MRI).

Istraživači s MIT-a sada su razvili robotsku platformu koja može paralelno izvesti 100 puta više eksperimenata usmjerene evolucije, dajući mnogo većoj populaciji priliku da dođe do rješenja, dok prati njihov napredak u stvarnom vremenu. Osim što pomaže istraživačima da brže razviju nove molekule, tehnika bi se također mogla koristiti za simulaciju prirodne evolucije i odgovor na temeljna pitanja o tome kako funkcionira.

Prije otprilike 10 godina, kao diplomirani student na Sveučilištu Harvard, Esvelt je razvio način za ubrzavanje usmjerene evolucije. Ovaj pristup koristi bakteriofage (viruse koji inficiraju bakterije) kako bi pomogli proteinima da se brže razvijaju prema željenoj funkciji. Gen za koji se istraživači nadaju optimizirati povezan je s genom potrebnim za preživljavanje bakteriofaga, a virusi se međusobno natječu kako bi optimizirali protein. Proces selekcije se izvodi kontinuirano, skraćujući svaku mutaciju na životni vijek bakteriofaga, koji je oko 20 minuta, i može se ponoviti mnogo puta, bez potrebe za ljudskom intervencijom.

Korištenjem ove metode, poznate kao kontinuirana evolucija potpomognuta fagom (PACE), usmjerena evolucija može se izvesti milijardu puta brže od tradicionalnih eksperimenata usmjerene evolucije. Međutim, evolucija često ne uspijeva pronaći rješenje, što od istraživača zahtijeva da pogode koji će novi skup uvjeta biti bolji.

Tehnika opisana u studiji objavljenoj u časopisu Nature Methods, koju su istraživači nazvali kontinuiranom evolucijom potpomognutom robotikom (PRANCE), može evoluirati 100 puta više populacija paralelno, koristeći različite uvjete.

U novom PRANCE sustavu, populacije bakteriofaga (koje mogu zaraziti samo određeni soj bakterija) uzgajaju se u jamicama bioreaktorske ploče s 96 jamica, umjesto u jednom bioreaktoru. To omogućuje da se istovremeno dogodi mnogo više evolucijskih putanja. Svaku virusnu populaciju prati robot dok prolazi kroz proces evolucije. Kada virus uspije generirati željeni protein, proizvodi fluorescentni protein koji robot može detektirati.

Ako se virusi bore za preživljavanje, što znači da se ciljni protein ne razvija na željeni način, robot im može pomoći spasiti ih od izumiranja zamjenom bakterije koju zaraze drugim sojem koji virusima olakšava replikaciju. Time se sprječava izumiranje populacije, što je uzrok neuspjeha mnogih usmjerenih evolucijskih pokusa.

U ovoj studiji, istraživači su koristili svoju novu platformu za izradu molekule koja omogućuje virusima da kodiraju svoje gene na novi način. Genetski kod svih živih organizama propisuje da tri para baza DNK određuju jednu aminokiselinu. Međutim, tim MIT-a uspio je razviti nekoliko molekula RNA za prijenos virusa (tRNA) koje čitaju četiri bazna para DNK umjesto tri.

U drugom eksperimentu razvili su molekulu koja omogućuje virusima da ugrade sintetičku aminokiselinu u proteine ​​koje proizvode. Svi virusi i žive stanice koriste istih 20 prirodnih aminokiselina za izgradnju svojih proteina, ali tim MIT-a uspio je generirati enzim koji može uključiti dodatnu aminokiselinu zvanu Boc-lizin.

Istraživači sada koriste PRANCE kako bi pokušali napraviti nove lijekove od malih molekula. Druge moguće primjene za ovu vrstu usmjerene evolucije velikih razmjera uključuju pokušaje razvoja enzima koji učinkovitije razgrađuju plastiku ili molekula koje mogu uređivati ​​epigenom, slično kao što to čini CRISPR metoda uređivanja gena.