读创/深圳商报首席记者 袁斯茹

合成生物学研究就像“造汽车”，而生物元件就是“汽车”的基本“零部件”。为了造好这辆“车”，中科院深圳先进院团队刘陈立与傅雄飞团队利用每个实验室常见的小小“平板”，研发出可以同时进化成百上千个生物元件的平台性技术。9月21日，相关成果在国际学术期刊《分子系统生物学》（Molecular Systems Biology）上发表。

△论文上线截图

开辟全新“上帝之手”

在合成生物学研究中，元件匮乏是一大关键问题。为此，科学家研发出有“上帝之手”之称的定向进化技术，可以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，是这一领域的关键核心平台性技术。

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。

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；另一方面，PACE系统需要连续培养装置、复杂的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。

通过借鉴PACE系统中的相关设计，此次深圳先进院团队将空间尺度引入到连续进化系统中，建立了空间噬菌体辅助连续进化系统。

△图说：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）

相关负责人表示，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、医学等各方面提供突破性技术助力。

解析空间进化规律，从PACE到SPACE

此次突破，源于团队在更早之前的一项研究。

此前，刘陈立团队在细菌迁徙定植研究中取得了重大突破。

2019年，刘陈立团队经过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。相关成果发表于顶级学术期刊《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。”刘陈立介绍道。

是否能让不同的突变体之间自发分离，使筛选过程变得更容易？

基于这个想法，SPACE系统在PACE系统基础上，利用细菌-噬菌体共迁移实验体系，使原本没有运动能力的噬菌体，能够被处于空间扩张运动过程中的细菌携带，并广泛传播。

值得一提的是，该实验将原本体积庞大且需要较复杂控制的液体连续培养装置，替换成了生物实验室中最为常见的软琼脂平板。

“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。

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。

刘陈立表示，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。

审读：喻方华