В медицината и биотехнологиите способността за еволюиране на протеини с нови или подобрени функции е от решаващо значение, но настоящите методи често са бавни и трудоемки. Сега учените от Scripps Research са разработили платформа за синтетична биология, която ускорява самата еволюция – позволявайки на изследователите да еволюират протеини с полезни, нови свойства хиляди пъти по-бързо от природата. Системата, наречена T7-ORACLE, беше описана в Science на 7 август 2025 г. и представлява пробив в начина, по който изследователите могат да проектират терапевтични протеини за рак, невродегенерация и по същество всяка друга област на заболяването.
„Това е като да дадете на еволюцията бутон за бързо превъртане напред“, казва съавторът Пийт Шулц, президент и главен изпълнителен директор на Scripps Research, където той също така заема президентския председател на L.S. „Сам“ Скагс. „Вече можете да еволюирате протеини непрекъснато и прецизно вътре в клетките, без да увреждате генома на клетката или да изисквате трудоемки стъпки.“
Насочената еволюция е лабораторен процес, който включва въвеждане на мутации и селекция на варианти с подобрена функция в продължение на множество цикли. Използва се за приспособяване на протеини с желани свойства, като например високоселективни антитела с висок афинитет, ензими с нови специфичности или каталитични свойства, или за изследване на появата на резистентни мутации в лекарствени мишени. Традиционните методи обаче често изискват повтарящи се кръгове на манипулация и тестване на ДНК, като всеки кръг отнема седмица или повече. Системите за непрекъсната еволюция – където протеините еволюират вътре в живите клетки без ръчна намеса – целят да рационализират този процес, като позволяват едновременна мутация и селекция с всеки кръг на клетъчно делене (приблизително 20 минути за бактерии). Но съществуващите подходи са ограничени от техническата сложност или скромните нива на мутации.
T7-ORACLE заобикаля тези пречки, като проектира бактерии E. coli – стандартен моделен организъм в молекулярната биология – за да бъде домакин на втора, изкуствена система за репликация на ДНК, получена от бактериофаг T7, вирус, който заразява бактериите и е широко изследван заради своята проста и ефикасна система за репликация. T7-ORACLE позволява непрекъсната хипермутация и ускорена еволюция на биомакромолекули и е проектиран да бъде широко приложим за много протеинови мишени и биологични предизвикателства. Концептуално, T7-ORACLE надгражда и разширява усилията на съществуващите ортогонални репликационни системи – което означава, че те работят отделно от собствения механизъм на клетката – като OrthoRep в Saccharomyces cerevisiae (хлебна мая) и EcORep в E. coli. В сравнение с тези системи, T7-ORACLE се възползва от комбинацията от висока мутагенеза, бърз растеж, висока ефективност на трансформация и лекотата, с която както гостоприемникът на E. coli, така и кръговият репликонен плазмид могат да бъдат интегрирани в стандартните работни процеси на молекулярната биология.
Ортогоналната система T-7 ORACLE е насочена само към плазмидна ДНК (малки, кръгли парчета генетичен материал), оставяйки генома на гостоприемника на клетката недокоснат. Чрез проектирането на T7 ДНК полимераза (вирусен ензим, който репликира ДНК) да бъде податлива на грешки, изследователите въведоха мутации в целевите гени със скорост 100 000 пъти по-висока от нормалната, без да увреждат клетките гостоприемници.
„Тази система представлява голям напредък в непрекъснатата еволюция“, казва съавторът Кристиан Диеркс, доцент по химия в Scripps Research. „Вместо един кръг на еволюция на седмица, получавате кръг всеки път, когато клетката се дели – така че това наистина ускорява процеса.“
За да демонстрират силата на T7-ORACLE, изследователският екип вмъкна в системата често срещан ген за антибиотична резистентност, TEM-1 β-лактамаза, и изложи клетките на E. coli на нарастващи дози различни антибиотици. За по-малко от седмица системата разработи версии на ензима, които можеха да устоят на нива на антибиотици до 5000 пъти по-високи от оригинала. Това доказателство на концепцията демонстрира не само скоростта и прецизността на T7-ORACLE, но и неговата реалистична значимост, като възпроизведе как се развива резистентност в отговор на антибиотици.
„Изненадващата част беше колко точно мутациите, които видяхме, съвпадаха с мутациите за резистентност в реалния свят, открити в клинични условия“, отбелязва Диркс. „В някои случаи видяхме нови комбинации, които работеха дори по-добре от тези, които бихте видели в клиника.“
Но Диркс подчертава, че изследването не е фокусирано върху антибиотичната резистентност сама по себе си.
„Това не е статия за TEM-1 β-лактамаза“, обяснява той. „Този ген беше просто добре характеризиран бенчмарк, който показва как работи системата. Важното е, че сега можем да еволюираме почти всеки протеин, като например мишени за лекарства против рак и терапевтични ензими, за дни, вместо за месеци.“
По-широкият потенциал на T7-ORACLE се крие в неговата адаптивност като платформа за протеиново инженерство. Въпреки че системата е вградена в E. coli, бактерията служи предимно като съд за непрекъсната еволюция. Учените могат да вмъкват гени от хора, вируси или други източници в плазмиди, които след това се въвеждат в клетки на E. coli. T7-ORACLE мутира тези гени, генерирайки вариантни протеини, които могат да бъдат скринирани или селектирани за подобрена функция. Тъй като E. coli е лесна за отглеждане и широко използвана в лаборатории, тя предоставя удобна, мащабируема система за еволюиране на почти всеки протеин, представляващ интерес.
Това би могло да помогне на учените по-бързо да еволюират антитела, насочени към специфични видове рак, да еволюират по-ефективни терапевтични ензими и да проектират протеази, насочени към протеини, участващи в рака и невродегенеративните заболявания.
„Вълнуващото е, че не е ограничено до едно заболяване или един вид протеин“, казва Диркс. „Тъй като системата е персонализируема, можете да добавите всеки ген и да го развиете към каквато и да е функция, от която се нуждаете.“
Освен това, T7-ORACLE работи със стандартни култури на E. coli и широко използвани лабораторни работни процеси, избягвайки сложните протоколи, изисквани от други системи за непрекъсната еволюция.
„Основното нещо, което отличава това, е колко лесно е да се внедри“, добавя Диркс. „Не е необходимо специализирано оборудване или експертиза. Ако вече работите с E. coli, вероятно можете да използвате тази система с минимални корекции.“
T7-ORACLE отразява по-широката цел на Шулц: да възстанови ключови биологични процеси – като репликация на ДНК, транскрипция на РНК и транслация на протеини – така че те да функционират независимо от клетката гостоприемник. Това разделяне позволява на учените да препрограмират тези процеси, без да нарушават нормалната клетъчна активност. Чрез отделяне на фундаментални процеси от генома, инструменти като T7-ORACLE помагат за развитието на синтетичната биология.
„В бъдеще се интересуваме от използването на тази система за еволюиране на полимерази, които могат да репликират напълно неестествени нуклеинови киселини: синтетични молекули, които приличат на ДНК и РНК, но с нови химични свойства“, казва Диркс. „Това би отворило възможности в синтетичната геномика, които тепърва започваме да изследваме.“
В момента изследователският екип е фокусиран върху разработването на ензими, получени от човека, за терапевтична употреба и върху приспособяването на протеазите за разпознаване на специфични протеинови последователности, свързани с рака.
„Подходът T7-ORACLE съчетава най-доброто от двата свята“, казва Шулц. „Вече можем да комбинираме рационален дизайн на протеини с непрекъсната еволюция, за да откриваме функционални молекули по-ефективно от всякога.“
