Only Perception: 在晶片上自動進行分子的達爾文演化

2008-05-04

在晶片上自動進行分子的達爾文演化

Scientists Automate Molecular Evolution
http://www.physorg.com/news128181162.html

April 23, 2008

在 Scripps Research Institute 一部電腦的控制下，一個有數十億個基因的族群，在 500 個週期的強迫適應下變形（morphed），那以分子的方式浮現，能在不斷減少的化學燃料來源中生長的愈來愈快 -- 這樣的功績，研究者形容為「在晶片上進行達爾文演化（Darwinian evolution on a chip）」的一個例子。

根據這項發表於 4 月號 PLoS Biology 期刊上的研究表示，所產生的超級分子（一種 RNA 酵素），是在大約 70 個小時內利用一種大小約一張 CD 般的自動化工具製成。設計這套裝置的 Scripps Research 研究者提到，這些發現提供了達爾文原理之天擇壓力運作的一種例子，還能即時被看見。

"這是在分子層級的演化，這是一件事實，不是一種理論，" 該研究的資深研究者，Scripps Research 化學與分子生物學系教授，Gerald Joyce 說。"當一部電腦控制狀態，迫使分子適應以便能興旺時 -- 這看起來就好像在最小的可能尺度下，使最適合的能夠生存。"

所演化而成的酶，展現出新的一組 11 種突變，相較於起始分子，那改善它們在基質--飢餓（substrate-starvation）狀態下的倖存率達 90 倍。

該研究的第一作者，Brian Paegel，Joyce 實驗室的博士後研究者，提到，這是這類型的第一個研究。在先前的研究中，科學家已透過手工添加及取得成份，設法在試管中辦到強迫適應。然而，那種技術產了一種孤立的快照，而非演化過程的動態綜覽。

"直到目前為止，沒有人能夠觀察到過程看起來像什麼，" Paegel 說。"這好像你以前只能看見一小塊美好的繪畫。現在，我們能往後站，並且看見完整的一幅演化圖像，發生在其最根本的層次上 -- 在分子的尺度上。"

Paegel 與 Joyce 設計並取得這種用於研究中的微流體（microfluidic）裝置的專利。此裝置基本上是一塊薄薄的玻璃板，直徑 4 英寸，具有微小的通道與閥門，電腦能控制它以添加或取得微量的物質。建造該裝置的成本大約 8 美元。

推進人造分子的極限

在這項研究中，科學家利用了一些人造 RNA 酶，那基於一種分子，最初由 David Bartel 與 Jack Szostak 在哈佛醫學院所發展，那源自於完全隨機的 RNA 序列。這些分子之前就曾用於透過手工方式所完成的「試管」演化實驗中。這些分子有能力催化其他 RNA 分子的結合，類似於較大型的分子稱為 RNA 聚合酶。在 Paegel 與 Joyce 所發展的系統中，一個能完成這種（催化）反應的 RNA 分子，將自動被複製以製造分子的「後裔」。

在這篇新發表的研究中，Paegel 與 Joyce 將這個微流體裝置載入數十億個 RNA 酵素與這種 RNA 複製機制。他們添加 RNA 酶必須利用的化學燃料，以便能夠複製。科學家在設定的間隔內提供濃度逐漸降低的燃料，成為一種指導 RNA 酶演化的方式。每當濃度減少時，這些 RNA 酵素，其遺傳特徵讓它們禁得起更迫切的狀態，比起那些不怎麼能適應的 RNA 酶，以更大的數量倍增。每當分子族群的大小達到一個已事先決定的水準時，電腦隔離出 1/10 的族群 -- 那現在包含數量更多的、成功適應的 RNA 酵素 -- 然後將它們與新供應的化學燃料混合。

這些步驟接著自動重複 500 遍，每一遍重複著 10 倍的生長並跟隨著 10 倍的稀釋。"RNA 酵素之間的競爭以刮起（scrape up）少數的基質，會變得日益嚴厲，而能夠更快速且更緊密結合到基質燃料分子的 RNA 酶變體（variants）將能勝出，" Paegel 說。

"我們使這些酶挨餓，迫使它們在形成鍵結上會變得更好且更快，所以它們能夠複製它們自己，" Joyce 說。"這像是動物的演化，那能夠在飢荒之後存活下來。只有在這裡我們能看見它在 70 個小時內發生，而且我們知道在這些分子中構成演化的突變為何會發生。我們目擊整個故事。"

雖然 RNA 分子在古典的意義中並非「活著」，不過它們和病毒一樣以同樣方式演化，Paegel 說。不過，不同於這些病原體，那需要保護殼以便存活，這些分子並不危險，他說，因為它們在晶片之外很快就會分解。

除了提供「即時演化」的強大示範之外 -- 那也能用來研究蛋白質、病毒甚至是細胞生物的適應 -- 這項技術也許有眾多實際用途，科學家說，雖然它並不是為那些而設計的。例如，有可能利用此技術創造 RNA 酶，其作用如同超級化學感應器。這項技術亦能透過鼓勵分子演化以完成想要的功能，而用來幫助設計新藥物。

該研究由 NSF、NASA 與 NIH 資助。

※ 相關報導：

＊全球微流體（Microfluidics）系統晶片及裝置市場 2008年達19.5億美元
http://cdnet.stpi.org.tw/techroom/market/nano/nano004.htm

＊ Darwinian Evolution on a Chip
http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0060085