Nature公布CRISPR的一種全新技術平台：促進細胞內特定基因進化

他們將這個新系統命名為「EvolvR」，EvolvR能幫助科學家們晃動他們靶標基因中的DNA，直到找到合適的突變。這種技術開闢了無數的可能性，如可以有效地將廢物轉化為生物燃料的工程酵母，或開發新的人類療法。

（EvolvR的「無限猴子定理」：猴子在CRISPR-Cas9的指導下輸入遺傳密碼）

生命如此之多樣，令人驚嘆。人類可以通過服用抗生素來阻止感染或利用酵母來釀造啤酒，我們正在享受自然進化的巧妙工藝。但是，如果自然界中沒有我們想要的特性怎麼辦呢？

加州大學伯克利分校創新基因組學研究所的科學家們提出了一種可以利用自然進化力量的變革性新方法。David Schaffer和John Dueber領導的研究團隊描述了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台。他們將這個新系統命名為「EvolvR」，EvolvR能幫助科學家們晃動他們靶標基因中的DNA，直到找到合適的突變。這種技術開闢了無數的可能性，如可以有效地將廢物轉化為生物燃料的工程酵母，或開發新的人類療法。

這一研究成果公布8月1日的Nature雜誌上。

「無限猴子定理」

想像讓一隻猴子坐在鍵盤上，隨機的按鍵，當按鍵時間達到無窮時，猴子幾乎必然能輸入莎士比亞或者金庸的全部作品，這就是所謂的「無限猴子定理（infinite monkey theorem）」。

根據這一定理，自然DNA變異隨著時間的推移，任何變化都能在不同個體生物的基因組中出現。理論上，在無限的時間內，遺傳鹼基的每一種可能的變異都將存在。然而，在實際的時間線上，只出現了很小的一部分。

那麼，再想像一下，我們可以告訴猴子只敲擊莎士比亞的麥克白這一頁。這樣猴子能更快的敲出這一頁上的每種可能的突變，這就是EvolvR讓幫助科學家們完成的事情。他們只想要單個基因的新突變，因此重寫整個基因組是不切實際的，並且可能對活細胞有害。通過限制僅為一個基因，可以增加大量的變化。

打開「evolve」開關

EvolvR能幫助科學家在一天時間內就能完成整個基因的進化過程。該系統基於可編程DNA切割蛋白Cas9，研究人員將Cas9用在一種名為DNA聚合酶的酶上。

Cas9能在生物體的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR利用Cas9的一種特殊「切口」，只切割兩條DNA鏈中的一條。這樣Cas9切割出一個缺口，發出給DNA聚合酶的信號，補上新的DNA。這時聚合酶會產生錯誤，寫入與原始DNA序列不同的DNA序列。

由於主要目標是多樣性，因此聚合酶這種錯誤能帶來益處：科學家可以利用EvolvR故意製造隨機突變，創造數百萬種不同的序列組合，從中至少發現一種具有他們想要的效果的序列組合。

不斷發展的定向進化技術

這種方法是實現生物系統多樣化的一種全新方式，為早期研究打開了新的大門。其他方法需要迫使大量隨機化DNA片段文庫進入細胞，這是耗時且昂貴的，並且並非所有細胞都能留住外部DNA。

EvolvR解決了之前方法的個缺點。「它不像許多其他技術那樣需要雙鏈斷裂，」Dueber指出，「雙鏈斷裂對許多細胞來說都是有害的。它也不需要複雜的修復途徑，因為這在許多有趣的生物體內都沒有。」

因此，這一工具可以在任何物種中使用，研究團隊將在後續的實驗中驗證這一點。

「EvolvR作為一種獨立於物種的定向進化工具具有巨大的潛力，」Schaffer說，「它可以在DNA區域內進行單個突變或複合突變，長度從大約十幾個到幾百個鹼基對。我們希望能製作一個適用於EvolvRs的工具包，從而構建具有更高突變率或影響更大的系統。有很多想法可以嘗試。」

Halperin還指出了該系統的另一個關鍵優勢。早期實驗室的方法需要一些勞動密集型的選擇循環。而EvolvR可以持續不斷的，一遍又一遍地改變基因的序列再次創造更多成功機會。

更多的選擇

預想的可能性太多了，因此EvolvR團隊希望其他科學家能夠加入進來。「我們很高興其他人加入我們，利用這個工具並改進它，」Halperin說。同時他們也希望能加速生物分子的開發，用於人類治療應用。

此外，令人興奮的是將EvolvR與另一種受歡迎的CRISPR工具箱：high-throughput CRISPR screening結合在一起。這種強大的技術配對可以讓科學家們在一次實驗中得到數千種不同的基因多樣化，創造出全新的功能，而不僅僅是打開和關閉基因。

原文標題

CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window

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