合成生物学研究就像“造汽车”，通过将各类生物“零部件”设计与组装来构建人工生物系统。生物元件作为“汽车”的基本“零部件”，它的数量和功能制约着合成生物学的发展。针对合成生物学元件匮乏这一关键问题，定向进化能够利用进化这个“上帝之手”的力量对已有生物元件进行改造和优化，使研究者获得所需的“定制化功能”，是合成生物学领域的关键核心平台性技术。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立课题组与傅雄飞课题组合作在
《Molecular Systems Biology》上发表了题为“Exploiting spatial dimensions to enable parallelized continuous directed evolution”的文章。
该项工作定量研究了细菌-噬菌体在空间上共同生长迁移的动力学过程，并基于这一定量理解，发展了空间噬菌体辅助连续定向进化系统(Spatial Phage-Assisted Continuous Evolution, SPACE)。SPACE系统的开发灵感来源于刘陈立课题组前期关于细菌迁移定植的研究（Nature, 2019, 575: 664-668），团队发现处在空间扩张过程中的细菌，其生长和运动状态类似于一个“移动的恒化器”。
图为论文截图
开辟连续定向进化的“创新”路径
传统的定向进化方法一般分为建库和筛选两个步骤，多轮进化往往需要进行大量的重复操作，耗费人力物力。2011年美国哈佛大学开发了噬菌体辅助连续进化系统（简称PACE），是定向进化领域一个重大突破。该方法能够使蛋白质在24小时内进化60轮，效率是传统实验室进化方法的100倍左右，并且整个实验过程无需人为干预，大大节省了技术人员的劳动成本。目前，该系统已被广泛应用于RNA聚合酶、TALEN、Cas9、碱基编辑器等重要酶类的进化改造。
然而，如果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或方法，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。
通过借鉴PACE系统中的相关设计，研究团队将空间尺度引入到了连续进化系统中，建立了空间噬菌体辅助连续进化（Spatial phage-assisted continuous evolution, SPACE）系统。该系统不仅大大提升了系统操作的简便性及元件突变体的筛选效率，为连续定向进化开辟创新路径，还具备了合成生物学领域内元件开发优化的巨大平台型技术优势，将为工业、农业、医学等提供突破性技术助力。
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此前，刘陈立团队在细菌迁徙定植研究中取得了重大突破。研究团队经过5年时间的大量实验反复研究细菌空间迁徙与进化过程，揭示了物种空间定植的进化稳定性策略及定量规律，为定量合成生物学、生态学等提供了全新的理论指导和启示。相关成果于2019年发表于《自然》。
“源于细菌迁徙定植的研究灵感，我们发现不同的突变体在群体迁移的过程中会相互竞争优势空间，最终使它们占据了空间上的不同位置，从而实现了不同突变体在空间上的分离”，论文通讯作者刘陈立介绍，目前的连续定向进化方法都采用均匀混合的液体体系，对有益突变体的筛选只能通过依赖其生长能力的优势，经过一定时间段的积累，使其获得在群体中的主导地位。
“我们首先基于经典的传染病模型建立了空间扩张系统的宿主感染模型，定量解析了细菌-噬菌体共迁移实验体系的进化动力学规律，发现了不同强度的噬菌体突变体能够在空间上出现自发的分离。基于这个定量发现，我们设计开发了SPACE系统。”论文通讯作者傅雄飞介绍道。
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：研究团队供图
也就是在这样一块小小的平板上，SPACE系统能够利用突变体之间对优势空间的竞争，实现不同强度突变体之间自发的分离，从而能比均匀混合的液体系统更高效地完成筛选过程。与此同时，进化的成功与否能够直接通过布满平板表面的细菌表层上肉眼可见的噬菌体感染区域的大小来进行判断，无需借助其他荧光或化学发光等指示信号的检测设备。
当前，可用的生物元件匮乏成为了合成生物学研究中亟待解决的关键问题，SPACE系统可以在普通实验室中实现生物元件的大规模平行进化改造，有望为合成生物学在化工、农业、医疗等领域的应用提供丰富的元件库储备。同时，细菌空间迁移运动对噬菌体进化的作用规律，也将对于研究更高等的生物，如昆虫、鸟类的迁徙对其携带的可能影响人类健康的病毒如何进化这类生态学理论或调查研究，提供参考和示范。
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