攻坚合成生物学元件匮乏的核心难题，深圳先进院团队开发新型连续定向进化系统SPACE，实现合成生物元件...

近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称“深圳先进院合成所”）刘陈立团队与傅雄飞团队合作，基于对微生物在空间上生长迁徙的定量理解，通过开发空间噬菌体辅助连续定向进化系统（Spatial Phage-Assisted Continuous Evolution, 简称 SPACE），形成了简便、高效、大规模定制生物元件的平台性能力。该项工作是一个从基础理论出发，通过理性设计和构建生命体系，最终延伸到工程应用的定量合成生物学研究的例子。

刘陈立表示，“受自然界中病毒常在生物迁徙过程中传播现象的启发，我们把噬菌体增殖和细菌空间迁移相结合，在一块平板（琼脂平板）上实现了蛋白的连续定向进化。利用这个简便的系统，可以不用人手干预、平行地进行成百上千个定向进化实验。”

图丨相关论文（来源：Molecular Systems Biology）

9 月 21 日，相关论文以《利用空间维度实现并行的连续定向进化》（Exploiting spatial dimensions to enable parallelized continuous directed evolution）为题发表在 Molecular Systems Biology 上 [1]。

该论文的共同通讯作者为深圳先进院合成所刘陈立研究员、傅雄飞研究员，共同第一作者为助理研究员魏婷、赖旺生、博士研究生陈茜、助理研究员张易。

“七年磨一剑”，从基础研究到解决领域瓶颈难题

2004 年，合成生物学被《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review）评选为“全球十大突破性技术”之一[2]。合成生物学用工程化的理念对生命体进行设计及改造，以应用为出口来获得人们想要的功能。

它和现在热门的 AI、深度学习等需要大量的数据来训练和发展模型类似，其研究并不仅局限于实现某个特定的工程改造目标，而是通过大量的数据积累，帮助人们总结出普适性的生物学规律。

经过多年的技术积累和发展，目前合成生物技术已逐渐被应用在医疗、化工、食品、农业、消费品等众多重要的领域。

我们常说，合成生物学是“以生物创造万物”，而要想创造万物就离不开合成生物学的基本单元——生物元件。然而，生物元件匮乏一直是合成生物学领域的核心瓶颈问题。

在传统方法中，生物元件是从自然界不同物种中通过功能筛选获得。例如，通过功能研究，从黄花蒿中挖掘获得合成青蒿素的生物元件，此后可以将这些元件组装到酵母体系，利用这样的工程酵母采用发酵的方式进行青蒿素前体的生产。

而通过传统方法筛选和挖掘可用元件往往效率有限、且获得的元件功能达不到需求。因此，科学家们期望通过理性设计的方法来设计人工生物系统。

但目前为止，由于缺乏相关理论的指导，合成生物学的理性设计能力还很有限，这与人们理想中“造万物”的目标还有很长的距离。那么，还有办法实现人们想要的功能吗？答案是肯定的。除了理性设计，研究者们还可以通过定向进化的方式，获得具备特定功能的生物元件。

定向进化是通过人工设计诱变建库和筛选方法，利用自然进化的驱动力，让生物元件产生优化功能。2018 年，加州理工学院化学工程系教授弗朗西斯·阿诺德（Frances H. Arnold）因其对定向进化的贡献，获得了诺贝尔化学奖。

传统的定向进化需要两个步骤——构建突变基因库和筛选生物元件。这两个步骤是分开进行的，中间需要通过额外的实验步骤连接，且往往需要多轮进化迭代循环进行，需要大量的重复操作，耗费人力物力和时间。

定向进化技术发展中里程碑式的突破出现在 2011 年，美国哈佛大学自然科学系教授刘如谦（David R. Liu）实验室开发了噬菌体辅助连续进化（Phage-Assisted Continuous Evolution, PACE），将 M13 噬菌体的增殖与待进化的生物分子功能关联起来。近几年，PACE 的能力已被充分证明，并应用在 RNA 聚合酶、TALEN、Cas9、碱基编辑器等生物学研究中的重要工具酶类的进化[3,4,5,6]。

然而，如果我们要同时进化多个目标蛋白，目前还缺少一种简便的定向进化技术/方法；另一方面，PACE 系统需要连续培养装置（恒化器，chemostat）、复杂的流速控制与检测设备和一定的操作技巧，因此普通实验室不太容易开展 PACE 实验。

刘陈立、傅雄飞团队经过 7 年研究，定量解析了“细菌-噬菌体”空间共迁移系统的进化动力学过程，并基于这一定量理解，发展了 SPACE 系统。该系统最核心的优势是充分发挥了定量研究的指导作用，利用每个普通实验室都有的小小“平板”，将构建突变基因库和筛选生物元件两个步骤“合二为一”。通过该系统实现了定向进化实验装置的极度简化，让成百上千的定向进化实验平行进行，仅 1 天时间就可以完成几十轮进化。

图丨细菌空间扩展过程中的噬菌体感染。A 细菌空间扩展系统与连续培养装置的相似性；B 细菌-噬菌体共迁移实验示意图；C 实验结果（来源：Molecular Systems Biology）

2019 年，刘陈立团队利用细菌迁徙进化实验，揭示了具有不同迁徙速率的细菌的空间定植规律，并提出了一个简单的定量公式，包含定植范围的面积、细菌运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式，在已知空间大小的条件下，便能算出迁徙进化的最优策略[7]。

在此基础上，团队向细菌迁徙运动系统中添加了新要素——噬菌体，构建了宿主-病毒（细菌-噬菌体）共迁徙的进化实验系统。

通过大量定量实验与理论建模分析，团队发现噬菌体随着细菌空间迁移可以形成一个扇形的感染区域，而这个扇形区域的大小与噬菌体感染宿主并复制扩增的能力呈正相关关系。更重要的是，与细菌迁徙进化不同，噬菌体的进化主要发生在扇形感染区域的侧边沿。

图丨空间扩展过程中噬菌体与细菌互作动力学模型。A, 细菌 SIR 三种状态的转化及噬菌体生产的数学描述；B, 感染动态在不同位置和方向上的差异性；C, 模型模拟噬菌体感染区的形成动态；D, 模型模拟强弱噬菌体初始比例为 PS:PW=1:105 的空间竞争（来源：Molecular Systems Biology）

傅雄飞表示，“有了这些定量规律的理解，就可以理性设计 SPACE 系统的筛选条件。”研究人员结合理论模型、指导优化实验条件，而不需要花费大量的时间开展实验来摸索适合的参数范围。

该研究原创性地采用细菌-噬菌体空间共迁徙系统，替代了传统的液体连续培养装置，使完成同样轮数的进化所需的细菌培养基总量减少了超过 100 倍。同时，利用“细菌-噬菌体”共同扩增迁移过程中形成的肉眼可见的图案，来替代用于检测光学指示信号的复杂仪器，方便地实现了进化效果的可视化检验。

图丨 SPACE 系统的构建（来源：Molecular Systems Biology）

空间进化，意味着不需要通过流体控制，而是在很小的“平板”上就能实现新鲜宿主细菌的连续供应、并提供持续的筛选压力，使得大量的实验可以并列进行。

“每个平板都是一个独立的实验，因此，科学家通过 SPACE 系统可针对成百上千个目标做定向进化实验，在不具备自动化实验平台的实验室中，也能实现合成生物元件快速、大规模的平行进化。”刘陈立表示。

图丨利用 SPACE 进行大量平行进化（来源：Molecular Systems Biology）

而且，这种“平板”是普通生物实验室中的最常见的实验材料，容易制备、成本低廉（几毛钱）、操作也非常简单。“只需要做一个接种步骤，滴几滴液体样品上去后静置培养，细菌和噬菌体就会自然地跑出来，便可取样获得我们想要的进化后的突变体了。”魏婷说。

聚焦定量合成生物，致力于解决科研和产业的难题

在这次的研究中，SPACE 系统本身也回答了一个有趣、有意义的科学问题——宿主-病毒在空间共迁徙的过程中，宿主的运动对病毒的进化有怎样的作用。因此，这项研究在探索基础的生态学问题的同时，还将从中获取的知识应用于关键技术的开发，是理论研究指导应用开发的生动实例。

“SPACE 系统对于研究宿主与寄生物之间的生态学问题、以及流行病的时空传播等课题有重要的借鉴价值，通过它我们能更好地了解宿主与病毒在空间共迁移中的动态过程，以及其中的进化动力学原理。”傅雄飞说。

接下来，研究团队将利用 SPACE 这个平台性技术，进化出一系列应用于医药、农业、化工等领域的重要生物大分子，解决科研和产业中的实际问题。

图丨空间噬菌体辅助连续进化系统（SPACE 系统）的应用展望示意图（来源：该团队）

刘陈立指出：“虽然合成生物学近几年在科研和产业领域都发展火热，但在科研界的共识是，要冷静地看待、解决科学问题。我们对于生命体的设计能力的不足，限制了很多应用和技术的发展。”

谈及领域的未来发展，他表示，合成生物学领域的两大难点是“理性设计能力低”和“好用的生物元件少”。而解决问题的路径是发展定量理论、开发平台性技术和建设大设施。

参考资料：

1.Ting Wei et al. Molecular Systems Biology (2022)18:e10934 https://doi.org/10.15252/msb.202210934 

2.http://www2.technologyreview.com/news/402435/10-emerging-technologies-that-will-change-your/3/

3.Esvelt KM, Carlson JC, Liu DR. A system for the continuous directed evolution of biomolecules [J]. Nature, 2011, 472(7344): 499-503.

4.Hubbard BP, Badran AH, Zuris JA, Guilinger JP, Davis KM, Chen L, Tsai SQ, Sander JD, Joung JK, Liu DR. Continuous directed evolution of DNA-binding proteins to improve TALEN specificity [J]. Nat Methods, 2015, 12(10): 939-942.

5.Miller SM, Wang T, Randolph PB, Arbab M, Shen MW, Huang TP, Matuszek Z, Newby GA, Rees HA, Liu DR. Continuous evolution of SpCas9 variants compatible with non-G PAMs [J]. Nat Biotechnol, 2020, 38(4): 471-481.

6.Thuronyi BW, Koblan LW, Levy JM, Yeh WH, Zheng C, Newby GA, Wilson C, Bhaumik M, Shubina-Oleinik O, Holt JR, Liu DR. Continuous evolution of base editors with expanded target compatibility and improved activity [J]. Nat Biotechnol, 2019, 37(9): 1070-1079. 

7.Liu W, Cremer J, Li D, Hwa T, Liu C. An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats [J]. Nature, 2019, 575(7784): 664-668.v