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高通量自動化篩選加速蛋白質(zhì)定向進(jìn)化

貝克曼庫爾特生命科學(xué) 2020-06-02 | 閱讀：2235

進(jìn)化在自然界中每天都在發(fā)生，從未停止，由自然選擇壓力進(jìn)行篩選，往往需要漫長的時間。近代生物學(xué)的發(fā)展使人們認(rèn)識到蛋白質(zhì)進(jìn)化大多是由于某些點(diǎn)突變或修飾的積累而形成的。2018年諾貝爾化學(xué)獎獲得者弗朗西斯.阿諾德，其首次提出了酶的定向進(jìn)化理論而獲此殊榮。

2018年諾貝爾化學(xué)獎得主

蛋白質(zhì)定向進(jìn)化技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用于酶分子改造，以改變酶分子的活性和催化效率，改善底物的選擇性、pH和溫度的耐受性等方面，也可以應(yīng)用于改善代謝途徑、優(yōu)化代謝網(wǎng)絡(luò)等，在蛋白質(zhì)工程、代謝工程和合成生物學(xué)領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用。

蛋白質(zhì)定向進(jìn)化策略

根據(jù)原理的不同，可以主要分為三種策略，隨機(jī)進(jìn)化、理性進(jìn)化，和介于兩者之間的半理性進(jìn)化。這三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中隨機(jī)進(jìn)化的多樣性最高，但樣本量巨大，篩選困難，常使用易錯PCR、DNA Shuffling等技術(shù)；理性進(jìn)化，借助于軟件建模，進(jìn)行分子對接等模擬實(shí)驗(yàn)，減少了篩選的工作量，但往往得到的蛋白質(zhì)活性不高；半理性進(jìn)化，根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行同源建模，對特定位點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變的方式，縮小突變文庫，提高陽性突變率。

蛋白質(zhì)定向進(jìn)化策略及方法^[1]

除了理性設(shè)計(jì)突變外，其他兩種進(jìn)化策略所產(chǎn)生的突變庫都需要大量的篩選工作，依靠人工進(jìn)行篩選，每天重復(fù)性的機(jī)械操作讓實(shí)驗(yàn)員感到乏味，巨大的工作量和數(shù)據(jù)量讓項(xiàng)目經(jīng)理感到崩潰，時間和資金的耗費(fèi)讓老板難以面對。

高通量自動化篩選加速進(jìn)化過程

想要快速從成千上萬的蛋白質(zhì)中篩選出陽性突變，短時間內(nèi)完成漫長的自然篩選過程，依靠人工篩選，需要耗費(fèi)大量人力，并且人員之間的操作誤差無法避免，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致結(jié)果無法完全相互比對，丟失一些陽性突變。

以自動化液體處理工作站為核心的自動化系統(tǒng)，逐漸成為酶定向進(jìn)化中對突變文庫進(jìn)行高通量篩選的不二選擇。自動化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)突變文庫篩選的自動化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高實(shí)驗(yàn)通量及效率，縮短酶定向進(jìn)化過程的篩選周期。

以大腸桿菌為表達(dá)宿主，隨機(jī)進(jìn)化的策略進(jìn)行酶定向進(jìn)化為例。

以大腸桿菌為宿主的酶定向進(jìn)化流程示意圖

在上述流程中，主要以自動化液體處理工作站為核心，進(jìn)行大量的液體處理，整合克隆挑選機(jī)器人解決人工挑選的限速步驟，以及培養(yǎng)箱、酶標(biāo)儀、離心機(jī)、封膜機(jī)、撕膜機(jī)等設(shè)備，協(xié)同配合自動化完成整個流程。

Biomek i7自動化液體處理工作站及Qpix系列高通量微生物克隆篩選系統(tǒng)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，流式細(xì)胞技術(shù)也被應(yīng)用于突變文庫的篩選之中，利用分選型流式細(xì)胞儀進(jìn)行突變文庫的初篩，不僅通量高、速度快，還可以根據(jù)熒光信號強(qiáng)度將細(xì)胞分選至96孔板、384孔板甚至是1536孔板中，進(jìn)行培養(yǎng)和第二輪篩選。