Введение

Метод инженерии белков, направленная эволюция (DE), – это метод, используемый в инженерии белков, который имитирует процесс естественного отбора для достижения заданной пользователем цели в отношении белков или нуклеиновых кислот. Он заключается в последовательном проведении мутагенеза гена (создания библиотеки вариантов), отбора (экспрессии этих вариантов и выделения членов, обладающих желаемой функцией) и амплификации (получения матрицы для следующего раунда). Направленная эволюция может выполняться in vivo (в живых организмах) или in vitro (в клетках или в растворе). Она применяется как в протеиновой инженерии в качестве альтернативы рациональному дизайну модифицированных белков, так и в экспериментальных исследованиях эволюции для изучения фундаментальных эволюционных принципов в контролируемых лабораторных условиях.

История

Направленная эволюция берет свое начало в 1960-х годах с эволюции молекул РНК в эксперименте с "монстром Шпигельмана". Эта концепция была расширена на эволюцию белков путем эволюции бактерий под действием отбора, благоприятствующего эволюции единственного гена в их геноме. Ранние методы фагового дисплея, разработанные в 1980-х годах, позволили направлять мутации и отбор на конкретный белок. Это дало возможность отбирать белки с улучшенными связывающими свойствами, но еще не позволяло проводить отбор по каталитической активности ферментов. Методы эволюции ферментов были разработаны в 1990-х годах и сделали эту технику доступной более широкому кругу ученых. Область быстро развивалась благодаря новым методам создания библиотек вариантов генов и скрининга их активности. Разработка методов направленной эволюции была отмечена в 2018 году присуждением Нобелевской премии по химии Франсис Арнольд за эволюцию ферментов, а также Джорджу Смиту и Грегори Винтеру за фаговый дисплей.

Принципы

Направленная эволюция — это имитация естественного цикла эволюции в лабораторных условиях. Эволюция требует наличия трех условий: изменчивости между репликаторами, различий в приспособленности, вызванных этой изменчивостью и являющихся объектом отбора, и наследуемости этой изменчивости. В направленной эволюции (ДЭ) один ген эволюционирует посредством итеративных раундов мутагенеза, отбора или скрининга и амплификации. Эти раунды обычно повторяются, при этом лучший вариант из предыдущего раунда используется в качестве матрицы для следующего, что позволяет достигать постепенных улучшений. Вероятность успеха в эксперименте по направленной эволюции напрямую зависит от общего размера библиотеки, поскольку оценка большего числа мутантов повышает вероятность обнаружения варианта с желаемыми свойствами.

Создание изменений

Первым шагом в проведении цикла направленной эволюции является создание библиотеки вариантов генов. Пространство возможных последовательностей для случайной последовательности огромно (10¹³⁰ возможных последовательностей для белка в 100 аминокислот) и крайне мало заполнено функциональными белками. Ни экспериментальная, ни естественная эволюция не могут даже приблизиться к исследованию такого количества последовательностей. Разумеется, естественная эволюция отбирает варианты последовательностей, близкие к функциональным белковым последовательностям, и это имитируется в направленной эволюции (ДЭ) путем мутагенеза уже функционального гена. Некоторые расчеты позволяют предположить, что для всех практических (то есть функциональных и структурных) целей пространство белковых последовательностей могло быть полностью исследовано в ходе эволюции жизни на Земле, включая вставки и делеции, вызванные транспозонами. Рекомбинацию генов можно имитировать перемешиванием ДНК нескольких последовательностей (обычно с более чем 70% идентичности последовательностей), что позволяет перейти в области пространства последовательностей между исходными генами. Наконец, конкретные участки гена могут быть систематически рандомизированы для более целенаправленного подхода, основанного на знаниях о структуре и функции. В зависимости от метода, созданная библиотека будет различаться по доле содержащихся в ней функциональных вариантов. Даже если для экспрессии интересующего гена используется организм, мутагенез только этого гена оставляет остальную часть генома организма неизменной и может быть проигнорирована в ходе эволюционного эксперимента (в той степени, в которой обеспечивается постоянная генетическая среда).

Обнаружение различий в физической форме

Большинство мутаций вредны, поэтому библиотеки мутантов обычно содержат варианты с пониженной активностью. Следовательно, высокопроизводительный анализ необходим для измерения активности и выявления редких вариантов с полезными мутациями, улучшающими желаемые свойства. Существуют две основные категории методов для выделения функциональных вариантов. Системы отбора напрямую связывают функцию белка с выживанием гена, в то время как скрининговые системы индивидуально анализируют каждый вариант и позволяют установить количественный порог для сортировки варианта или популяции вариантов с желаемой активностью. Как отбор, так и скрининг могут проводиться в живых клетках (in vivo эволюция) или непосредственно на белке или РНК без клеток (in vitro эволюция). Во время in vivo эволюции каждая клетка (обычно бактерия или дрожжи) трансформируется плазмидой, содержащей различные члены библиотеки вариантов. Таким образом, только ген интереса различается между клетками, в то время как все остальные гены остаются неизменными. Клетки экспрессируют белок либо в цитоплазме, либо на поверхности, где его функция может быть проверена. Этот формат имеет преимущество в отборе свойств в клеточной среде, что полезно, когда полученный белок или РНК предстоит использовать в живых организмах. При проведении без клеток направленная эволюция включает использование in vitro транскрипции и трансляции для получения белков или РНК, свободных в растворе или заключенных в искусственные микрокапли. Этот метод обладает преимуществами большей универсальности в условиях отбора (например, температура, растворитель) и позволяет экспрессировать белки, которые были бы токсичны для клеток. Кроме того, эксперименты по in vitro эволюции могут генерировать гораздо более крупные библиотеки (до 10¹⁵), поскольку ДНК библиотеки не требуется вводить в клетки (что часто является ограничивающим фактором).

Выбор

Выбор по активности связывания концептуально прост. Целевая молекула иммобилизуется на твердом носителе, библиотека вариантов белков пропускается над ней, плохо связывающиеся варианты смываются, а оставшиеся связанные варианты извлекаются для выделения их генов. Связывание фермента с иммобилизованным ковалентным ингибитором также использовалось как попытка выделить активные катализаторы. Однако этот подход отбирает лишь единичный каталитический цикл и не является адекватной моделью связывания субстрата или истинной реакционной способности субстрата. Если активность фермента можно сделать необходимой для выживания клетки, либо посредством синтеза жизненно важного метаболита, либо путем разрушения токсина, то выживание клетки становится функцией активности фермента. Такие системы обычно ограничиваются лишь эффективностью трансформации клеток. Они также менее затратны и трудоемки, чем скрининг, однако, как правило, сложны в разработке, подвержены артефактам и не предоставляют информации о спектре активностей, присутствующих в библиотеке.

Проверка

Альтернативой отбору является система скрининга. Каждый вариант гена экспрессируется индивидуально и подвергается анализу для количественного измерения активности (чаще всего с помощью колорогенного или флуорогенного продукта). Затем варианты ранжируются, и экспериментатор решает, какие из них использовать в качестве шаблонов для следующего раунда направленной эволюции. Даже самые высокопроизводительные анализы обычно имеют меньший охват, чем методы отбора, но предоставляют преимущество в виде подробной информации о каждом проанализированном варианте. Эти разрозненные данные также могут быть использованы для характеристики распределения активности в библиотеках, что невозможно в простых системах отбора. Таким образом, системы скрининга обладают преимуществами при экспериментальной характеристике адаптивной эволюции и ландшафтов приспособленности.

Обеспечение наследственности

Когда функциональные белки были изолированы, необходимо изолировать и их гены, следовательно, требуется установление связи между генотипом и фенотипом. Или капельками эмульсии. Затем изолированные последовательности генов амплифицируются с помощью ПЦР или путем трансформации бактерий-хозяев. В качестве шаблона для следующего раунда мутагенеза можно использовать либо одну лучшую последовательность, либо пул последовательностей. Повторяющиеся циклы диверсификации, отбора и амплификации создают варианты белков, адаптированные к приложенным селективным факторам.

Преимущества направленной эволюции

Рациональный дизайн белка опирается на глубокое понимание структуры белка, а также его каталитического механизма. Затем вносятся специфические изменения с помощью мутагенеза, направленного на конкретный сайт, чтобы попытаться изменить функцию белка. Однако недостатком этого подхода является то, что даже при хорошо известной структуре и механизме действия белка, изменение, вызванное мутацией, все еще сложно предсказать. Поэтому преимущество направленной эволюции (DE) заключается в отсутствии необходимости понимать механизм желаемой активности или то, как мутации могут на него повлиять.

Ограничения направленной эволюции

Ограничением направленной эволюции является необходимость высокопроизводительного анализа для оценки эффектов большого числа различных случайных мутаций. Это может потребовать значительных исследований и разработок перед применением в направленной эволюции. Кроме того, такие анализы часто высокоспецифичны для мониторинга определенной активности и поэтому не подходят для переноса в новые эксперименты по направленной эволюции. Более того, отбор по улучшению исследуемой функции приводит лишь к улучшению этой самой функции. Чтобы понять механизмы этих улучшений, необходимо измерять свойства эволюционирующего фермента. Улучшение измеренной активности может быть обусловлено повышением каталитической активности фермента или его концентрации. Нет также гарантии, что улучшение активности на одном субстрате приведет к улучшению на другом. Это особенно важно, когда желаемую активность невозможно непосредственно отсеять или отобрать, и используется «замещающий» субстрат. Направленная эволюция может привести к эволюционной специализации на замещающем субстрате без улучшения желаемой активности. Следовательно, выбор подходящих условий скрининга или отбора критически важен для успешной направленной эволюции. Скорость эволюции в эксперименте также ограничивает применимость направленной эволюции. Например, эволюция определенного фенотипа, хотя и теоретически возможна, может происходить в масштабах времени, непрактичных для реализации. Недавние теоретические разработки направлены на преодоление ограничения скорости путем применения методов контрдиабатического управления из статистической физики, однако это пока не реализовано в эксперименте по направленной эволюции.

Комбинированные подходы

Исследуются комбинированные "полурациональные" подходы для преодоления ограничений как рационального дизайна, так и направленной эволюции. Полезные мутации редки, поэтому для поиска улучшенных вариантов необходимо проводить скрининг большого числа случайных мутантов. "Сфокусированные библиотеки" концентрируются на рандомизации регионов, которые предположительно содержат больше полезных мутаций, на этапе мутагенеза направленной эволюции. Сфокусированная библиотека содержит меньше вариантов, чем традиционная библиотека случайного мутагенеза, и поэтому не требует такого же высокопроизводительного скрининга. Создание сфокусированной библиотеки требует определенных знаний о том, какие аминокислотные остатки в структуре следует мутировать. Например, знание активного центра фермента может позволить рандомизировать только те остатки, которые, как известно, взаимодействуют с субстратом. Альтернативно, знание о том, какие области белка варьируются в природе, может направлять мутагенез именно в этих областях.

Приложения

Направленный эволюция часто используется в протеиновой инженерии как альтернатива рациональному дизайну, но также может применяться для изучения фундаментальных вопросов эволюции ферментов.

Адаптирующая лабораторная эволюция микробных протеом

Природный аминокислотный состав протеомов может быть изменен глобальной заменой канонических аминокислот на подходящие неканонические аналоги под воздействием экспериментально созданного селективного давления. Например, глобальные замены природных аминокислот фторированными аналогами были предприняты в Escherichia coli и Bacillus subtilis. В 2015 году Будиса и Зёлль сообщили о полной замене триптофана на тиенопирролаланин в ответ на 20899 кодонов UGG в Escherichia coli. Ожидается, что экспериментальная эволюция микробных штаммов с четкой адаптацией к дополнительной аминокислоте станет важным инструментом для экспериментального расширения генетического кода. Направленная эволюция обычно нацелена на конкретный ген для мутагенеза, а затем проводится отбор полученных вариантов по интересующему фенотипу, часто независимо от влияния на жизнеспособность, в то время как адаптивная лабораторная эволюция отбирает множество мутаций по всему геному, которые способствуют жизнеспособности активно растущих культур.