生物元件作为合成生物系统的基本单元，其数量和功能制约着合成生物学的发展。通过定向进化对已有元件进行改造和优化获得所需的功能，是合成生物学领域中一项重要的关键平台性技术。传统定向进化方法需要大量人力劳动和重复操作，在此背景下，哈佛大学开发了噬菌体辅助连续进化（Phage-Assisted Continuous Evolution, PACE），能够实现建库和筛选的自动连接和迭代循环，显著提高了进化效率，是定向进化技术发展中里程碑式的重要突破。但是，目前还缺少一种可用于同时针对多种目标进化的简便的定向进化技术/方法，而PACE对复杂流体控制装置及检测设备的需求限制了它在普通实验室中的大量开展。
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”。
本项目研究团队原创性地利用这个“移动的恒化器”替代PACE系统中噬菌体的持续扩增所需要的连续培养装置，从而大幅简化了系统。团队构建了细菌-噬菌体共迁移实验体系，并采用理论模型结合实验进化的方式，解析细菌迁移过程中噬菌体感染宿主的进化动力学。基于上述定量理解，团队通过对噬菌体复制包装及诱导突变等关键功能模块的设计和改造，构建了SPACE系统。研究团队利用该系统平行进化了T7 RNA聚合酶识别随机启动子序列的能力。SPACE系统简便、高效、效果可视化，具有大规模优化改造生物元件的平台性能力。该项工作是一个从基础理论出发，通过理性设计和构建生命体系，最终延伸到工程应用的定量合成生物学研究的例子。未来研究团队将利用SPACE这个平台性技术，进化一系列应用于医药、农业、化工等领域的重要生物大分子，力求解决科研和产业中的实际问题。
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
文章链接：
https://doi.org/10.15252/msb.202210934
