生物元件作為合成生物系統的基本單元，其數量和功能制約著合成生物學的發展。通過定向進化對已有元件進行改造和優化獲得所需的功能，是合成生物學領域中一項重要的關鍵平台性技術。傳統定向進化方法需要大量人力勞動和重複操作，在此背景下，哈佛大學開發了噬菌體輔助連續進化（Phage-Assisted Continuous Evolution, PACE），能夠實現建庫和篩選的自動連接和迭代循環，顯著提高了進化效率，是定向進化技術發展中里程碑式的重要突破。但是，目前還缺少一種可用於同時針對多種目標進化的簡便的定向進化技術/方法，而PACE對複雜流體控制裝置及檢測設備的需求限制了它在普通實驗室中的大量開展。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院劉陳立課題組與傅雄飛課題組合作在《Molecular Systems Biology》上發表了題為「Exploiting spatial dimensions to enable parallelized continuous directed evolution」的文章。該項工作定量研究了細菌-噬菌體在空間上共同生長遷移的動力學過程，並基於這一定量理解，發展了空間噬菌體輔助連續定向進化系統(Spatial Phage-Assisted Continuous Evolution, SPACE)。SPACE系統的開發靈感來源於劉陳立課題組前期關於細菌遷移定植的研究（Nature, 2019, 575: 664-668），團隊發現處在空間擴張過程中的細菌，其生長和運動狀態類似於一個「移動的恆化器」。
本項目研究團隊原創性地利用這個「移動的恆化器」替代PACE系統中噬菌體的持續擴增所需要的連續培養裝置，從而大幅簡化了系統。團隊構建了細菌-噬菌體共遷移實驗體系，並採用理論模型結合實驗進化的方式，解析細菌遷移過程中噬菌體感染宿主的進化動力學。基於上述定量理解，團隊通過對噬菌體複製包裝及誘導突變等關鍵功能模塊的設計和改造，構建了SPACE系統。研究團隊利用該系統平行進化了T7 RNA聚合酶識別隨機啟動子序列的能力。SPACE系統簡便、高效、效果可視化，具有大規模優化改造生物元件的平台性能力。該項工作是一個從基礎理論出發，通過理性設計和構建生命體系，最終延伸到工程應用的定量合成生物學研究的例子。未來研究團隊將利用SPACE這個平台性技術，進化一系列應用於醫藥、農業、化工等領域的重要生物大分子，力求解決科研和產業中的實際問題。
圖說：空間噬菌體輔助連續進化系統（SPACE系統）的應用展望示意圖
來源：研究團隊供圖
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https://doi.org/10.15252/msb.202210934
