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高通量自動(dòng)化篩選加速蛋白質(zhì)定向進(jìn)化
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(cháng)的時(shí)間。近代生物學(xué)的發(fā)展使人們認識到蛋白質(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*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
根據原理的不同，可以主要分為三種策略，隨機進(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)，其中隨機進(jìn)化的多樣性*，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，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，根據晶體結構進(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(yáng)性突變率。
蛋白質(zhì)定向進(jìn)化策略及方法[1]
除了理性設計突變外，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，每天重復性的機械操作讓實(shí)驗員感到乏味，巨大的工作量和數據量讓項目經(jīng)理感到崩潰，時(shí)間和資金的耗費讓老板難以面對。
高通量自動(dòng)化篩選加速進(jìn)化過(guò)程
想要快速從成千上萬(wàn)的蛋白質(zhì)中篩選出陽(yáng)性突變，短時(shí)間內完成漫長(cháng)的自然篩選過(guò)程，依靠人工篩選，需要耗費大量人力，并且人員之間的操作誤差無(wú)法避免，無(wú)法實(shí)現標準化，導致結果無(wú)法*相互比對，丟失一些陽(yáng)性突變。
以自動(dòng)化液體處理工作站為核心的自動(dòng)化系統，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*。自動(dòng)化系統可以實(shí)現突變文庫篩選的自動(dòng)化、高效化、標準化，提高實(shí)驗通量及效率，縮短酶定向進(jìn)化過(guò)程的篩選周期。
以大腸桿菌為表達宿主，隨機進(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(dòng)化液體處理工作站為核心，進(jìn)行大量的液體處理，整合克隆挑選機器人解決人工挑選的限速步驟，以及培養箱、酶標儀、離心機、封膜機、撕膜機等設備，協(xié)同配合自動(dòng)化完成整個(gè)流程。
Biomek i7自動(dòng)化液體處理工作站及Qpix系列高通量微生物克隆篩選系統
隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，流式細胞技術(shù)也被應用于突變文庫的篩選之中，利用分選型流式細胞儀進(jìn)行突變文庫的初篩，不僅通量高、速度快，還可以根據熒光信號強度將細胞分選至96孔板、384孔板甚至是1536孔板中，進(jìn)行培養和第二輪篩選。
MoFlo Astrios EQ 超高速流式分選系統
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*本文涉及的內容與產(chǎn)品僅用于科研和工業(yè)，不用于臨床診斷。
參考文獻：
王曉玥, 王白云, 王智文, 陳濤, 趙學(xué)明等. 蛋白質(zhì)定向進(jìn)化的研究進(jìn)展. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展. 2015, 42(2): 123-131.
往期回顧：
