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

2018年諾貝爾化學獎得主
 

蛋白質定向進化技術，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、優化代謝網絡等，在蛋白質工程、代謝工程和合成生物學領域都發揮了重要的作用。
 

蛋白質定向進化策略
 

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

蛋白質定向進化策略及方法^[1]
 

除了理性設計突變外，其他兩種進化策略所產生的突變庫都需要大量的篩選工作，依靠人工進行篩選，每天重復性的機械操作讓實驗員感到乏味，巨大的工作量和數據量讓項目經理感到崩潰，時間和資金的耗費讓老板難以面對。
 

高通量自動化篩選加速進化過程
 

想要快速從成千上萬的蛋白質中篩選出陽性突變，短時間內完成漫長的自然篩選過程，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法避免，無法實現標準化，導致結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，逐漸成為酶定向進化中對突變文庫進行高通量篩選的不二選擇。自動化系統可以實現突變文庫篩選的自動化、高效化、標準化，提高實驗通量及效率，縮短酶定向進化過程的篩選周期。
 

以大腸桿菌為表達宿主，隨機進化的策略進行酶定向進化為例。
 

以大腸桿菌為宿主的酶定向進化流程示意圖
 

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
 

隨著技術的不斷發展，流式細胞技術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品僅用于科研和工業，不用于臨床診斷。​

參考文獻：

王曉玥, 王白云, 王智文, 陳濤, 趙學明等. 蛋白質定向進化的研究進展. 生物化學與生物物理進展. 2015, 42(2): 123-131.
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