Учёные создали «движок эволюции» для быстрого изменения белков

Схема системы T7-ORACLE. Геном поддерживается немутогенной реплисомой хозяина (серый цвет), в то время как ортогональная реплисома T7 (красный) поддерживает только специализированную плазмиду (OR) с 100 000-кратно повышенной скоростью мутации. Автор: Scripps Research

В медицине и биотехнологиях способность изменять белки для придания им новых или улучшенных функций крайне важна, но существующие методы часто медленные и трудоёмкие. Теперь учёные из Scripps Research разработали платформу синтетической биологии, которая ускоряет сам процесс эволюции — позволяя исследователям получать белки с полезными свойствами в тысячи раз быстрее, чем в природе.

Система под названием T7-ORACLE была описана в журнале Science и представляет собой прорыв в области инженерии терапевтических белков для лечения рака, нейродегенеративных заболеваний и многих других болезней.

«Это как если бы мы дали эволюции кнопку ускорения», — говорит соавтор исследования Пит Шульц, президент и CEO Scripps Research. «Теперь можно непрерывно и точно изменять белки внутри клеток, не повреждая их геном и не прибегая к трудоёмким процедурам».

Направленная эволюция — это лабораторный процесс, включающий введение мутаций и отбор вариантов с улучшенными функциями за несколько циклов. Его используют для создания белков с заданными свойствами, таких как высокоселективные антитела, ферменты с новыми каталитическими свойствами или для изучения устойчивости к лекарствам. Однако традиционные методы требуют многократных циклов манипуляций с ДНК, каждый из которых занимает неделю или больше.

T7-ORACLE обходит эти ограничения, используя бактерии E. coli, в которые встроена искусственная система репликации ДНК, заимствованная у бактериофага T7. Эта система позволяет вносить мутации в целевые гены со скоростью в 100 000 раз выше нормы, не затрагивая геном клетки.

«Эта система представляет собой серьёзный прорыв в непрерывной эволюции», — отмечает соавтор Кристиан Диркс, доцент химии в Scripps Research. «Вместо одного цикла эволюции в неделю вы получаете новый вариант при каждом делении клетки — процесс ускоряется радикально».

В качестве демонстрации исследователи вставили в систему ген устойчивости к антибиотикам TEM-1 β-лактамазу и подвергли бактерии воздействию возрастающих доз антибиотиков. Менее чем за неделю система создала варианты фермента, способные выдерживать дозы в 5000 раз выше исходных. Интересно, что мутации совпали с теми, что встречаются в клинической практике.

Но главное преимущество T7-ORACLE — её универсальность. Система позволяет изменять практически любой белок, будь то мишени для противораковых препаратов или терапевтические ферменты, за дни вместо месяцев. Кроме того, она совместима со стандартными лабораторными протоколами работы с E. coli.

В будущем исследователи планируют использовать T7-ORACLE для создания полимераз, способных воспроизводить полностью искусственные нуклеиновые кислоты, а также для разработки ферментов, нацеленных на белки, связанные с раком.

«Подход T7-ORACLE объединяет лучшее из двух миров, — говорит Шульц. — Теперь мы можем сочетать рациональный дизайн белков с непрерывной эволюцией, чтобы открывать функциональные молекулы эффективнее, чем когда-либо».

Подробнее: Christian S. Diercks et al, An orthogonal T7 replisome for continuous hypermutation and accelerated evolution in E. coli, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adp9583