光定向進化創造出可以開關、感知和計算的蛋白質

如今，科學家透過一種稱為定向進化的技術在實驗室中應用類似的原理。研究人員利用它來改善酵素和抗體等蛋白質，這些蛋白質在醫學、工業製造甚至洗衣粉等日常產品中發揮重要作用。

傳統定向進化的局限性

儘管取得了成功，標準定向進化方法仍然存在很大的限制。它們通常會施加持續的選擇壓力，有利於始終保持高度活性的蛋白質。然而，真正的生物系統很少以這種方式運作。許多蛋白質充當信號、分子開關或「邏輯閘」（結合多個輸入以做出是或否決定的蛋白質），這意味著它們必須隨著條件的變化而改變狀態。

例如，蛋白質可能會短暫活躍，然後關閉，然後再次打開。當進化經驗只獎勵一種狀態時，其他必要的狀態就會惡化。結果，蛋白質可能失去正確轉換的能力，這可能對細胞有害（例如殺死細胞）。由於這一挑戰，事實證明，利用目前的定向進化方法來創造具有複雜多態行為的蛋白質是困難的。

基於光的蛋白質演化策略

洛桑聯邦理工學院生物系統物理實驗室的 Sahand Jamal Rahi 領導的研究人員提出了一種稱為「光學進化」的新方法。該方法使用光來引導蛋白質的進化，這些蛋白質可以執行動態功能，甚至執行遵循是或否規則的簡單計算任務。

該研究發表於 細胞它有助於使定向進化更接近細胞的正常功能。在生命系統中，狀態之間的時間和切換與訊號強度一樣重要。

對酵母細胞進行工程改造以選擇最好的蛋白質

為了建構他們的系統，研究人員使用了芽殖酵母釀酒酵母，這是一種廣泛用於釀造工業和科學研究的生物體。他們重新設計了酵母細胞週期，使細胞分裂取決於正在開發的蛋白質的行為。蛋白質需要在活性和非活性狀態之間乾淨地切換，細胞才能生存。

科學家已將該蛋白質的輸出訊號連接到控制細胞週期的調節器。此調節器在一個階段是必需的，但在另一個階段會變得有毒。如果蛋白質保持活性或不活性的時間太長，酵母細胞就會關閉或死亡。只有具有在正確時間突變的蛋白質的細胞才能繼續分裂。

利用光即時控制發育

光提供了一種精確控制這一過程的方法。研究人員使用了光遺傳學，這是一種利用光打開或關閉基因的技術。透過提供定時光脈衝，他們迫使蛋白質在狀態之間交替。

每個酵母細胞週期持續約 90 分鐘，從而進行快速的通過或中斷測試，以查看蛋白質是否在正確的時刻開啟。性能更好的蛋白質使細胞能夠生存和繁殖，而轉換不佳的變體則被消除。這使得視覺進化能夠自動選擇具有最佳動態行為的蛋白質，而無需手動檢查或頻繁修改。

新的蛋白質變體和擴大的顏色敏感性

利用光學進化，團隊開發了幾種不同類型的蛋白質。他們首先改進了一種常用的光控轉錄因子。研究人員創造了 19 種新的變體，這些變體表現出對光的敏感性更高、黑暗中的活動減少，或能夠對綠光而不是藍光做出反應。長期以來，人們認為工程對比藍色較暖的顏色有反應的蛋白質極為困難，因為這些蛋白質吸收光的方式不同。

科學家也開發了一种红色光合作用系統，使酵母細胞不再需要額外的化學輔助因子。進化產生了一種突變，破壞了正常的酵母轉運蛋白。這種意想不到的變化使系統能夠使用細胞內存在的光敏分子，使系統更容易在實驗中使用。

像小型計算機一樣工作的蛋白質

該研究還表明，視覺進化可能超越光敏蛋白。研究人員開發了一種轉錄因子，其作用類似於單一蛋白質電腦。只有當兩種不同的輸入同時出現時（一種光訊號和一種化學訊號），它才會啟動基因。

動態蛋白質行為對於許多生物過程至關重要，包括感知環境變化、做出細胞內決策和控制細胞分裂。透過使這些行為在活細胞內不斷進化，光學進化為合成生物學、生物技術和基礎研究提供了新的可能性。

這項技術可以幫助科學家設計更聰明的細胞電路，創造獨立響應不同顏色光的光遺傳學工具，並更好地理解複雜的蛋白質行為如何透過演化出現。

其他貢獻者

• 洛桑聯邦理工學院蛋白質與細胞工程實驗室
• 拜羅伊特大學
• 洛桑大學醫院 (CHUV)