研究人员来自悉尼大学，他们开发了一种可在哺乳动物活细胞内部模拟自然选择过程的系统，且这一过程是在高度可控的环境下进行的。他们将该系统命名为PROTEUS（PROTein Evolution Using Selection的缩写），并认为它可能彻底改变从基因疗法到疾病对抗蛋白等各类分子的设计方式。
“PROTEUS可以用来生成高度适应人体功能的新分子，”共同高级作者Greg Neely教授表示。“我们可以用它来制造现有技术难以或根本无法制造的新药。”
长期以来，科学家一直使用定向进化技术——即在实验室环境中模拟达尔文的突变与选择过程——来进化酶、抗体及其他分子用于特定应用。但几乎所有这些实验都是在简单的生物体如细菌或酵母中进行的。这些系统操作快速且易于操控，但缺乏人体细胞的复杂性。
而Neely团队首次成功地在哺乳动物细胞内部大规模地引入了完整的进化机制。
利用合成病毒模拟自然选择
PROTEUS的核心是一种巧妙改造的病毒。不过，研究人员并未采用具有复制能力且可能致病的活病毒，而是设计了嵌合病毒样囊泡。这些囊泡本质上是无害的遗传物质载体。
这些囊泡基于一种改良版的Semliki Forest Virus（塞姆利基森林病毒），这是一种能够进入哺乳动物细胞的甲病毒。但研究团队去除了病毒的衣壳——即可能导致感染的蛋白质外壳，并用另一种完全不同病毒的包膜蛋白取而代之。这种混合设计使PROTEUS能够安全且稳健地运行。
结果是一个稳定、自包含的进化回路。每个循环始于携带目标基因的囊泡进入宿主哺乳动物细胞。在细胞内部，误差倾向酶引入突变。如果突变后的基因提高了细胞的生存能力或活性——例如激活了关键蛋白——该版本的基因就会被细胞帮助扩散。这是朝着特定目标加速的进化过程。定向进化的原始开发工作最早在细菌中进行，并获得了2018年诺贝尔化学奖的认可。
为人体打造更优工具
为了验证该系统的有效性，研究团队对PROTEUS进行了多轮测试。
首先，他们面对一个经典挑战：进化出对多西环素（doxycycline）的抗性。这种广谱抗生素通常会关闭细胞中的合成基因。在四轮进化后，系统筛选出了tTA蛋白的双突变版本，即使在药物存在下仍能继续工作。
接下来，他们转向一个更微妙的问题：能否利用PROTEUS改进一个已经高度优化的基因开关？
答案是肯定的。研究人员选取了一个广泛使用的基因调节器rtTA-3G，它能在多西环素存在下激活基因。然后让PROTEUS运行了30轮。
最终，系统进化出一个新版本rtTA-4G，其中包含两个细微突变：D5N和M59I。这些变化使蛋白的敏感性提高了近六倍。在实验室培养的人类类胚胎体中，升级后的开关在低剂量药物下也比其前身更高效地激活了基因。
关键在于，这些变化只在哺乳动物细胞中有效，而在细菌中则不然。这是此前系统从未实现的。
所有进化实验均在BHK-21细胞中进行，这些细胞源自仓鼠肾细胞。它们在病毒学中广泛使用，因为它们缺乏强烈的抗病毒干扰素反应，为像PROTEUS这样的RNA系统提供了安全且宽容的环境。
这一设计选择是有意为之的。构建一个稳定的定向进化系统需要高突变率和多轮复制。而在人类细胞中，这些特征会触发防御机制。
尽管进化本身发生在仓鼠细胞中，但所产生的分子已在更接近人类的环境中进行了测试并证明有效。
能“看见”DNA损伤的生物传感器
最引人注目的演示之一是团队利用PROTEUS进化出一种细胞内生物传感器。具体而言，这是一种能够检测DNA损伤的纳米抗体。DNA损伤是癌症和衰老过程中的早期信号。
原始的纳米抗体Nb139在细胞核内难以找到目标。但在35轮进化后，PROTEUS产生了一个带有单一突变（S26P）的版本，使其对著名的肿瘤抑制蛋白p53具有高度识别能力。
在暴露于顺铂（一种破坏DNA的化疗药物）的细胞中，改进后的生物传感器在细胞核内发光，形成微小的荧光点。
“这项研究证明，Nb139的细胞内功能可以通过在哺乳动物细胞内的进化进一步改进，”研究人员在Nature Communications中写道。
一种生物AI——但针对分子
PROTEUS的非凡之处不仅在于它能运作，更在于它如何运作。
就像生成式AI工具通过探索数百万种可能性来寻找有用答案一样，PROTEUS测试数百万种前所未见的突变，并迅速迭代至更优解决方案。不同的是，它是在真实的、活的细胞中进行的。尽管并未使用机器学习、深度学习或其他任何AI技术，该系统能够探索通过随机突变生成的数百万种蛋白变体。因此，PROTEUS被比作一种“生物AI”。
这一系统使科学家能够找到原本需要研究人员多年才能解决的问题的答案，甚至可能根本无法解决。
在一项实验中，他们展示了将抗病毒药物molnupiravir加入细胞中可进一步提高突变率，扩大进化搜索空间。
重要的是，PROTEUS是开源的。
“我们为研究界开放了这一系统，”Neely补充道。“我们很期待看到人们如何使用它。我们的目标将是增强基因编辑技术，或精细调整mRNA药物以实现更强大和特异的效果。”
接下来是什么？
PROTEUS的影响是深远的。如果该技术能够扩展到仓鼠细胞以外的其他人类细胞类型，它将为研究人员提供组织特异性甚至疾病特异性的进化环境。
这将彻底改变基因疗法、癌症治疗、合成生物学和个性化医学等领域。
正如任何强大的技术一样，前方仍有挑战。目前系统的突变偏好倾向于某些遗传变化，还需要更多工作来进化出完全无偏见的生物分子多样性。但研究团队已经开始通过小分子调整来应对这一挑战。
“通过应用PROTEUS，”Denes表示，“我们希望推动新一代酶、分子工具和治疗药物的发展。”
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