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生命是極其多樣化的。通過服用抗生素來阻止感染或使用酵母釀造啤酒，我們正在使用通過自然進化產生的有用產品和過程。但是，當我們想要的性狀在自然界中無法找到時會發生什么？
在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校創新基因組學研究所的研究人員開發出一種利用進化力量的變革型新方法。相關研究結果于2018年8月1日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window”。論文通信作者為加州大學伯克利分校創新基因組學研究所的David Schaffer和John Dueber，論文作者為在Schaffer實驗室和Dueber實驗室從事科研的博士生Shakked Halperin。這些研究人員描述了CRISPR的另一個創造性應用：一種促進細胞內特定基因進化的平臺。他們創造性的新系統“EvolvR”讓科學家們能夠在他們選擇的基因中重組DNA堿基，直到找到恰到好處的變異。這種技術開辟了無數的可能性，如通過改造構建出地將廢物轉化為生物燃料的酵母，或開發新的人類療法。
圖片來自Shakked Halperin。
并不是毫無意義
想象一只猴子坐在鍵盤上。如果給予無限的時間隨機地按鍵，這只猴子幾乎肯定會輸入威廉•莎士比亞的全部作品。至少，這是根據“無限猴子定理（infinite monkey theorem）”得出的結論。DNA的自然變異類似于這一過程---隨著時間的推移，不同有機體的基因組中都會出現隨機變化。理論上，在無限長的時間內，DNA堿基的每一種可能的變異都將存在。然而，在實際的人類時間線上，僅很小一部分可能的變化將會出現。
如今想象一下，我們能夠告訴這只猴子僅重寫莎士比亞悲劇《麥克白》的特定頁面。在這個這個狹小的頁面窗口的限制下，這只猴子會非常快地輸出這些頁面中的文本的每個可能的變化。這就是EvolvR讓科學家們所做的事情。他們僅想要獲得單個基因的新版本，因此重寫整個基因組是不切實際的，并且可能對活細胞是有害的。通過每次僅對一個基因進行干擾，就有可能對大量的變異進行取樣。
輕擊“進化（evolve）”開關
EvolvR讓科學家們在實驗室中僅在一天內讓一個基因經歷整個進化過程。該系統基于可編程的DNA切割蛋白Cas9，這就使得EvolvR成為CRISPR工具箱中的一種性工具。這些研究人員將Cas9結合到一種被稱作DNA聚合酶的酶上。Cas9經編程后在有機體的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR使用Cas9的一種特殊“切口（nicking）”版本，僅切割兩條DNA鏈中的一條。Cas9在一條DNA鏈上產生一個切口，這就指示DNA聚合酶移除這條鏈并用新的DNA替換它。DNA聚合酶會產生錯誤，構建出與原始DNA序列不同的DNA序列，就像鍵盤上的猴子按鍵一樣。
鑒于多樣性就是人們想要的目標，DNA聚合酶產生的“打字錯誤”是一件好事。科學家們能夠利用EvolvR故意地產生隨機突變，從而構建出數百萬種不同的序列組合，并且可能至少發現一種具有他們想要的效果的序列組合。
定向進化技術不斷發展
這種方法是實現生物系統多樣化的一種全新方式，打開了與早期策略相結合的大門。其他方法依賴于迫使大量的隨機化DNA片段“文庫”進入細胞。這是耗時且昂貴的，并且并非所有細胞都容易攝入外部DNA。EvolvR解決了以前方法中的這些缺點和其他的幾個缺點。 Dueber指出，“它不像許多其他技術那樣需要雙鏈DNA斷裂。雙鏈斷裂對許多細胞都是有害的。它也不需要復雜的DNA修復通路，這是因為許多讓人們感興趣的有機體都沒有這些復雜的DNA修復通路。”
因此，這種工具應當可以在任何物種中使用，而且測試這個想法是這些研究人員馬上就要實施的后續步驟之一。雖然它的試驗場是在細菌中，但在人類或植物細胞等真核生物中使用時，這種多功能平臺將會變得更加強大。Schaffer說，“EvolvR有巨大的潛力作為一種獨立于物種的定向進化工具。它已經可以在長大約十幾個到幾百個堿基對的DNA區域中進行單個突變或組合突變。”Dueber補充道，“我們有興趣構建出一個適用的EvolvR工具包。我們設想的系統具有更高的突變率或更大影響的窗口。有很多想法可供嘗試。”
Halperin指出了這種系統的另一個關鍵優勢。早期在實驗室中產生性狀的方法包括幾輪勞動密集型的多樣化和選擇操作。“在以前的定向進化實驗中，我們沒有借鑒大自然所做的事情。鑒于我們的工具能夠不斷為靶基因提供多樣性，我們能夠不斷地富集越來遠好的性狀，這更接近于自然進化過程。”只要研究人員想要開展多長時間，那么基于EvolvR開展的實驗就可以持續多長時間，這會一遍又一遍地改變靶基因的序列并創造更多的成功機會。
出發
有太多的可能性去想象，而且這些研究人員希望其他科學家們能夠使用EvolvR。Halperin說，“我們很高興其他人與我們一起使用這個工具并改進它。”Schaffer渴望運用這種工具，以“加速用于人類治療應用（從新藥到新藥遞送技術）的生物分子開發。”
讓這些研究人員特別興奮的是將EvolvR與另一種受歡迎的CRISPR工具---高通量CRISPR篩選---相結合。這種強大的技術組合可以讓他們在一次實驗中給數千個不同的基因提供多樣化，這潛在地創造出全新的功能，而不僅僅是開啟和關閉基因。（生物谷）
參考資料：
Shakked O. Halperin, Connor J. Tou, Eric B. Wong et al. CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window. Nature, Published Online: 01 August 2018, doi:10.1038/s41586-018-0384-8.
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