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生活是多种多样的。通过服用抗生素来阻止感染或使用酵母酿造啤酒，我们正在选择有用的产品和自然进化的工艺。但是，当我们想要的特性在自然界中无法找到时会发生什么?
创新基因组学研究所的科学家们编造了一种利用进化力量的变革性新方法。今天在自然界中，由博士领导的研究人员学生Shakked Halperinworking在加州大学伯克利分校的David Schaffer和John Dueber的实验室中描述了CRISPR的另一个创造性应用：一个促进细胞内特定基因进化的平台。他们创造性的新系统“EvolvR”让科学家们可以在他们选择的基因中改变DNA字母，直到找到恰到好处的变异。该技术开辟了无数的可能性，如工程酵母可有效地将废物转化为生物燃料，或开发新的人类治疗药物。
不只是在周围徘徊
想象一只猴子坐在键盘上。如果给予无限量的随机按键，猴子几乎肯定会输入威廉·莎士比亚的全部作品。至少，这是根据“无限猴子定理”。自然DNA变异类似于这个过程 - 随着时间的推移，不同个体生物的基因组中会出现随机变化。理论上，在无限的时间内，遗传信件的每一种可能的变异都将存在。然而，在实际的人类时间线上，只会出现很小一部分可能的变化。
现在想象一下，我们可以告诉猴子只重写莎士比亚麦克白的特定页面。仅限于这个狭窄的窗口，猴子会更快，更快地输出页面文本的每个可能的变化。这就是EvolvR让科学家们所做的事情。他们只想要单个基因的新版本，因此重写整个基因组是不切实际的，并且可能对活细胞有毒。通过一次将加扰限制为仅一个基因，可以采样大量的变化。
轻击“evolve”开关
EvolvR让科学家在实验室的一天内将基因推进整个进化过程。该系统基于可编程DNA切割蛋白Cas9，使EvolvR成为CRISPR工具箱中最新的巧妙设备。IGI团队将Cas9用于一种名为DNA聚合酶的酶。Cas9被编程以在生物体的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR使用Cas9的特殊“切口”版本，只切割两条DNA链中的一条。Cas9发出一个缺口，发出DNA聚合酶的信号，剥离该链并用新的DNA替换它。聚合酶会产生错误，写入与原始DNA序列不同的DNA序列，就像键盘上的众所周知的猴子一样。
由于多样性是目标，聚合酶的“错别字”是一件好事。科学家可以使用EvolvR故意制造随机突变，创造出数百万种不同的序列组合，并且可能发现至少一种具有他们想要的效果。
定向进化技术不断发展
这种方法是实现生物系统多样化的一种全新方式，打开了与早期策略保持联系的大门。其他方法依赖于迫使随机化DNA片段的大量“库”进入细胞。这是耗时且昂贵的，并且并非所有细胞都容易吸收外部DNA。EvolvR解决了以前方法的这些和其他几个缺点。“它不像许多其他技术那样需要双链断裂，”Dueber指出。“双链断裂对许多细胞都有毒。它也不需要复杂的修复途径，许多有趣的生物都没有。”
因此，该工具应该可以在任何物种中使用，并且测试这个想法是团队紧接着的后续步骤之一。虽然它的试验场是在细菌中，但在人类或植物细胞等真核生物中使用时，多功能平台将更加强大。“EvolvR作为一种独立于物种的定向进化工具具有巨大的潜力，”Schaffer说。“它已经可以在DNA区域内产生单个突变或变化组合，长度范围从大约十几个到几百个碱基对。”Dueber补充道，“我们有兴趣制作一个适用于EvolvRs的工具包。我们设想的系统具有更高的突变率或影响更大的窗口。有很多想法可以尝试。”
Halperin指出了该系统的另一个关键优势。在实验室中发展特征的早期方法包括一些劳动密集型的多样化和选择。“在之前的定向进化实验中，我们放弃了大自然所做的事情。因为我们的工具可以不断提供目标基因的多样性，我们可以不断丰富更好和更好的特性，更接近自然进化过程。”EvolvR实验可以在研究人员想要的时候继续进行，一遍又一遍地改变基因序列并创造更多成功机会。
去比赛
预先设想的可能性太多了，EvolvR背后的团队希望其他科学家能够创造并运用它。“我们很高兴其他人加入我们使用这个工具并改进它，”Halperin说。Schaffer渴望实施该工具，以“加速生物分子的开发，用于人类治疗应用，从新药到新药递送技术。”
研究人员特别兴奋的是将EvolvR与另一种最受欢迎的CRISPR工具箱高通量CRISPR筛选相结合。这种有效的技术配对可以让他们在一次实验中使数千种不同的基因多样化，从而创造出全新的功能，而不仅仅是打开和关闭基因。
使用EvolvR多样化的一滴细菌含有巨大的多样性。在那一滴中可能隐藏着什么开创性的潜力?正如Kahlil Gibran曾写道的那样，“在一滴水中找到了所有海洋的所有秘密。”尽管Gibran的诗意尚未完全实现，但我们正在迅速接近它。
该研究发表在Nature杂志的在线版上，“CRISPR-guided DNA聚合酶可以在可调窗口中实现所有核苷酸的多样化”。
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