Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с Направленной эволюцией (трансгуманизмом) .
Пример направленной эволюции в сравнении с естественной эволюцией . Внутренний цикл обозначает 3 стадии направленного цикла эволюции, при этом естественный процесс имитируется в скобках. Внешний круг демонстрирует шаги типичного эксперимента. Красные символы обозначают функциональные варианты, бледные символы обозначают варианты с ограниченными функциями.

Направленная эволюция ( DE ) - это метод, используемый в белковой инженерии, который имитирует процесс естественного отбора, чтобы направлять белки или нуклеиновые кислоты к определенной пользователем цели. [1] Он состоит из подвергания гена итеративным циклам мутагенеза (создание библиотеки вариантов), отбора (выражения этих вариантов и выделения членов с желаемой функцией) и амплификации (создания шаблона для следующего цикла). Его можно проводить in vivo (в живых организмах) или in vitro (в клетках или свободно в растворе). Направленная эволюция используется как длябелковая инженерия как альтернатива рациональному проектированию модифицированных белков, а также изучение фундаментальных принципов эволюции в контролируемой лабораторной среде.

История [ править ]

Направленная эволюция берет свое начало в 1960-х [2] с эволюцией молекул РНК в эксперименте «Монстр Шпигельмана ». [3] Эта концепция была распространена на эволюцию белка через эволюцию бактерий под давлением отбора, который благоприятствовал развитию одного гена в его геноме. [4]

Ранние методы фагового дисплея 1980-х годов позволили выявить мутации и отобрать один белок. [5] Это позволило отобрать белки с усиленным связыванием , но еще не совместимо с отбором на каталитическую активность ферментов . [6] Методы выделения ферментов были разработаны в 1990-х годах и представили эту технику более широкой научной аудитории. [7] Эта область быстро расширилась за счет новых методов создания библиотек вариантов генов и скрининга их активности. [2] [8] Разработка методов направленной эволюции была отмечена в 2018 г. присуждением Нобелевской премии по химии компанииФрэнсис Арнольд за эволюцию ферментов и Джордж Смит и Грегори Винтер за фаговый дисплей. [9]

Принципы [ править ]

Направленная эволюция аналогична восхождению на холм в « фитнес-ландшафте », где высота представляет собой желаемое свойство. Каждый раунд отбора отбирает мутанты со всех сторон исходного шаблона (1) и выбирает мутант с наибольшей высотой, тем самым поднимаясь на холм. Это повторяется до тех пор, пока не будет достигнута местная вершина (2).

Направленная эволюция - это имитация цикла естественной эволюции в лабораторных условиях. Эволюция требует, чтобы произошли три вещи: вариация между репликаторами, эта вариация вызывает различия в приспособленности, на которые действует отбор, и эта вариация наследуется . При DE единственный ген развивается с помощью повторяющихся раундов мутагенеза, отбора или скрининга и амплификации. [10] Раунды этих шагов обычно повторяются, используя лучший вариант из одного раунда в качестве шаблона для следующего, чтобы достичь пошаговых улучшений.

Вероятность успеха в эксперименте направленной эволюции напрямую связана с общим размером библиотеки, поскольку оценка большего количества мутантов увеличивает шансы найти один с желаемыми свойствами. [11]

Создание варианта [ править ]

Стартовый ген (слева) и библиотека вариантов (справа). Точечные мутации изменяют одиночные нуклеотиды. Вставки и удаления добавляют или удаляют участки ДНК. При перетасовке происходит рекомбинация сегментов двух (или более) похожих генов.
Как библиотеки ДНК генерируются путем случайного мутагенеза пространства последовательностей образцов. Показана аминокислота, замещенная в данном положении. Каждая точка или набор связанных точек является одним членом библиотеки. Подверженная ошибкам ПЦР случайным образом изменяет некоторые остатки на другие аминокислоты. Аланиновое сканирование заменяет каждый остаток белка аланином, один за другим. Насыщение сайта заменяет каждую из 20 возможных аминокислот (или некоторые их подмножества) в одном положении, одну за другой.

Первым шагом в выполнении цикла направленной эволюции является создание библиотеки вариантных генов. Пространство последовательностей для случайной последовательности обширно (10 130 возможных последовательностей для белка из 100 аминокислот ) и крайне редко заполнено функциональными белками. Ни экспериментальный, [12], ни естественный [13] [ неудавшаяся проверка ]эволюция может когда-либо приблизиться к выборке такого количества последовательностей. Конечно, естественная эволюция отбирает вариантные последовательности, близкие к функциональным последовательностям белка, и это имитируется в DE путем мутагенизации уже функционального гена. Некоторые расчеты показывают, что вполне возможно, что для всех практических (то есть функциональных и структурных) целей пространство белковых последовательностей было полностью исследовано в ходе эволюции жизни на Земле. [13]

Стартовый ген можно мутагенезировать с помощью случайных точечных мутаций (с помощью химических мутагенов или подверженной ошибкам ПЦР ) [14] [15], а также вставок и делеций (с помощью транспозонов). [16] Генную рекомбинацию можно имитировать путем перетасовки ДНК [17] [18] нескольких последовательностей (обычно с более чем 70% идентичностью последовательностей) для перехода в области пространства последовательностей между перетасованными родительскими генами. Наконец, определенные области гена могут быть систематически рандомизированы [19] для более целенаправленного подхода, основанного на знании структуры и функций. В зависимости от метода сгенерированная библиотека будет отличатьсядоля содержащихся в нем функциональных вариантов . Даже если организм используется для экспрессии интересующего гена, путем мутагенизации только этого гена остальная часть генома организма остается прежней и может быть проигнорирована в эволюционном эксперименте (в той степени, в которой обеспечивается постоянная генетическая среда).

Выявление различий в фитнесе [ править ]

Большинство мутаций вредны, поэтому библиотеки мутантов, как правило, имеют варианты с пониженной активностью . [20] Следовательно, высокопроизводительный анализ жизненно важен для измерения активности, чтобы найти редкие варианты с полезными мутациями, которые улучшают желаемые свойства. Существуют две основные категории методов выделения функциональных вариантов. Системы отбора напрямую связывают функцию белка с выживанием гена, тогда как системы скрининга индивидуально анализируют каждый вариант и позволяют установить количественный порог для сортировки варианта или популяции вариантов с желаемой активностью. Как отбор, так и скрининг можно проводить в живых клетках ( in vivoэволюция) или выполняется непосредственно на белке или РНК без каких-либо клеток ( эволюция in vitro ). [21] [22]

Во время в естественных условиях эволюции, каждая клетка ( как правило , бактерии или дрожжи ) является трансформировали с плазмидой , содержащей другой член библиотеки варианта. Таким образом, в клетках различается только интересующий ген, а все остальные гены остаются такими же. Клетки экспрессируют белок либо в своей цитоплазме, либо на поверхности, где можно проверить его функцию. Преимущество этого формата заключается в выборе свойств в клеточной среде, что полезно, когда выделенный белок или РНК должны использоваться в живых организмах. При выполнении без клеток DE включает использование трансляции транскрипции in vitro.для производства белков или РНК, свободных в растворе или разделенных на искусственные микрокапли . Этот метод имеет преимущества в том, что он более универсален в условиях отбора (например, температура, растворитель) и может экспрессировать белки, которые были бы токсичными для клеток. Более того, эксперименты по эволюции in vitro могут создавать гораздо большие библиотеки (до 10 15 ), поскольку библиотечная ДНК не нуждается в вставке в клетки (часто это ограничивающий этап).

Выбор [ править ]

Выбор для связывающей активности концептуально прост. Молекула-мишень иммобилизуется на твердой подложке, по ней протекает библиотека вариантов белков, слабые связывающие вещества смываются, а оставшиеся связанные варианты восстанавливаются для выделения их генов. [23] Связывание фермента с иммобилизованным ковалентным ингибитором также использовалось в качестве попытки выделить активные катализаторы. Этот подход, однако, выбирает только один каталитический оборот и не является хорошей моделью связывания субстрата или истинной реакционной способности субстрата. Если активность фермента может быть сделана необходимой для выживания клеток, либо путем синтеза жизненно важного метаболита, либо путем разрушения токсина, тогда выживаемость клеток является функцией активности фермента. [24] [25]Производительность таких систем обычно ограничена только эффективностью трансформации клеток. Они также менее дороги и трудозатратны, чем просмотр, однако их обычно сложно спроектировать, они подвержены артефактам и не дают информации о спектре деятельности, имеющейся в библиотеке.

Скрининг [ править ]

Альтернативой отбору является система досмотра. Каждый ген варианта по отдельности выражается и анализировал количественно измерить активность (чаще всего colourgenic или флуорогеннымтовар). Затем варианты ранжируются, и экспериментатор решает, какие варианты использовать в качестве шаблонов для следующего раунда DE. Даже самые высокопроизводительные анализы обычно имеют меньший охват, чем методы отбора, но дают преимущество получения подробной информации по каждому из проверенных вариантов. Эти дезагрегированные данные также можно использовать для характеристики распределения деятельности в библиотеках, что невозможно в простых системах отбора. Таким образом, системы скрининга имеют преимущества, когда дело доходит до экспериментальной характеристики адаптивной эволюции и условий пригодности.

Обеспечение наследственности [ править ]

Экспрессированный белок может быть либо ковалентно связан с его геномом (как и в мРНКе , слева) или разобщенный с ним ( клетками или искусственными отсеками , справа). Любой способ гарантирует, что ген может быть выделен на основе активности кодируемого белка.

Когда функциональные белки выделены, необходимо, чтобы их гены тоже были, поэтому требуется связь генотип-фенотип . [24] Это может быть ковалентным, например отображение мРНК, когда ген мРНК связан с белком в конце трансляции пуромицином. [12] В качестве альтернативы белок и его ген могут быть совместно локализованы путем компартментализации в живых клетках [26] или каплях эмульсии. [27]Затем выделенные генные последовательности амплифицируют с помощью ПЦР или трансформированными бактериями-хозяевами. В качестве матрицы для следующего раунда мутагенеза можно использовать либо единственную лучшую последовательность, либо пул последовательностей. Повторяющиеся циклы диверсификации-отбора-амплификации генерируют варианты белка, адаптированные к применяемым давлениям отбора.

Сравнение с рациональным дизайном белка [ править ]

Преимущества направленной эволюции [ править ]

Рациональный дизайн белка основан на глубоком знании структуры белка , а также его каталитического механизма . [28] [29] Затем производятся специфические изменения посредством сайт-направленного мутагенеза в попытке изменить функцию белка. Недостатком этого является то, что даже когда структура и механизм действия белка хорошо известны, изменение, вызванное мутацией, все еще трудно предсказать. Таким образом, преимущество DE заключается в том, что нет необходимости понимать механизм желаемой активности или то, как мутации могут повлиять на нее. [30]

Ограничения направленной эволюции [ править ]

Ограничение направленной эволюции состоит в том, что требуется высокопроизводительный анализ для измерения эффектов большого количества различных случайных мутаций. Это может потребовать обширных исследований и разработок, прежде чем его можно будет использовать для направленной эволюции. Кроме того, такие анализы часто очень специфичны для мониторинга конкретной активности и поэтому не могут быть перенесены в новые эксперименты с DE. [31]

Кроме того, выбор улучшения исследуемой функции просто приводит к улучшению исследуемой функции. Чтобы понять, как достигаются эти улучшения, необходимо измерить свойства развивающегося фермента. Улучшение исследуемой активности может быть связано с улучшением каталитической активности фермента или концентрации фермента. Также нет гарантии, что улучшение одного субстрата улучшит активность другого. Это особенно важно, когда желаемая активность не может быть напрямую проверена или выбрана, и поэтому используется «прокси» субстрат. DE может привести к эволюционной специализации прокси без улучшения желаемой активности. Следовательно, выбор подходящих условий скрининга или отбора жизненно важен для успешного DE. [32]

Скорость эволюции в эксперименте также накладывает ограничение на полезность направленной эволюции. Например, эволюция определенного фенотипа, хотя теоретически возможна, может происходить в масштабах времени, которые практически невозможны. [33] Недавние теоретические подходы были нацелены на преодоление ограничения скорости за счет применения контрдиабатических методов вождения из статистической физики, хотя это еще не было реализовано в эксперименте направленной эволюции. [34]

Комбинаторные подходы [ править ]

Комбинированные, «полурациональные» подходы исследуются для устранения ограничений как рационального дизайна, так и направленной эволюции. [1] [35] Полезные мутации редки, поэтому необходимо проверять большое количество случайных мутантов, чтобы найти улучшенные варианты. «Целевые библиотеки» концентрируются на рандомизации регионов, которые, как считается, более богаты полезными мутациями для стадии мутагенеза DE. Сфокусированная библиотека содержит меньше вариантов, чем традиционная библиотека случайного мутагенеза, и поэтому не требует такого высокопроизводительного скрининга.

Создание специализированной библиотеки требует некоторых знаний о том, какие остатки в структуре следует мутировать. Например, знание активного сайта фермента может позволить рандомизировать только те остатки, о которых известно, что они взаимодействуют с субстратом . [36] [37] С другой стороны, знание того, какие участки белка являются вариабельными по своей природе, может направлять мутагенез только в этих областях. [38] [39]

Приложения [ править ]

Направленная эволюция часто используется для белковой инженерии как альтернатива рациональному дизайну [40], но также может использоваться для исследования фундаментальных вопросов эволюции ферментов. [41]

Белковая инженерия [ править ]

Как инструмент белковой инженерии DE был наиболее успешным в трех областях:

  1. Повышение стабильности белка для биотехнологического использования при высоких температурах или в агрессивных растворителях [42] [43] [44]
  2. Улучшение аффинность связывания с терапевтических антител ( созревание аффинности ) [45] и активность De Novo разработанных ферментов [30]
  3. Изменение субстратной специфичности существующих ферментов, [46] [47] [48] [49] (часто для использования в промышленности) [40]

Исследования эволюции [ править ]

Изучение естественной эволюции традиционно основывается на существующих организмах и их генах. Однако исследования фундаментально ограничены отсутствием окаменелостей (и особенно отсутствием древних последовательностей ДНК ) [50] [51] и неполными знаниями о древних условиях окружающей среды. Направленной эволюции исследует эволюцию в контролируемой системе генов для отдельных ферментов , [52] [53] [35] рибозимы [54] и репликаторы [55] [3] ( по аналогии с экспериментальной эволюции от эукариот , [56] [57] прокариоты [58] и вирусы [59] ).

DE позволяет контролировать давление отбора , скорость мутаций и среду (как абиотическую среду, такую ​​как температура, так и биотическую среду, такую ​​как другие гены в организме). Кроме того, имеется полная запись всех эволюционных промежуточных генов. Это позволяет детальные измерения эволюционных процессов, например эпистаза , evolvability , адаптивная ограничения [60] [61] пригодности ландшафтов , [62] и нейтральных сетей . [63]

Адаптивная лабораторная эволюция микробных протеомов [ править ]

Природный аминокислотный состав протеомов может быть изменен путем глобальных замен канонических аминокислот подходящими неканоническими аналогами под экспериментально наложенным селективным давлением . Например, глобальные замены природных аминокислот фторированными аналогами в масштабах протеома были предприняты в Escherichia coli [64] и Bacillus subtilis . [65] О полной замене триптофана тиенопиррол-аланином в ответ на 20899 кодонов UGG в Escherichia coli в 2015 году сообщили Будиса и Солл . [66]Ожидается, что экспериментальная эволюция микробных штаммов с четкой аккомодацией дополнительной аминокислоты станет инструментом экспериментального расширения генетического кода . [67] эволюция Направленной обычно нацелен на конкретный ген для мутагенеза , а затем сканирует полученные варианты для фенотипа интереса, часто зависят от пригодности эффектов, в то время как адаптивная ЛАБОРАТОРИИ в эволюции выбирает многий геном -ные мутации , которые способствуют пригодности активно растущим культур. [68]

См. Также [ править ]

  • Приложения:
    • Белковая инженерия
    • Ферментная инженерия
    • Белковый дизайн
    • Расширенный генетический код
    • Ксенобиология
  • Мутагенез:
    • Случайный мутагенез
    • Насыщенный мутагенез
    • Поэтапный процесс расширения
  • Отбор и просмотр:
    • Дисплей дрожжей
    • Бактериальный дисплей
    • Фаговый дисплей
    • Рибосомный дисплей
    • отображение мРНК
    • FACS

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Lutz S (декабрь 2010 г.). «За пределами направленной эволюции - полурациональная инженерия и дизайн белков» . Текущее мнение в области биотехнологии . 21 (6): 734–43. DOI : 10.1016 / j.copbio.2010.08.011 . PMC  2982887 . PMID  20869867 .
  2. ^ a b Cobb RE, Chao R, Zhao H (май 2013 г.). «Направленная эволюция: прошлое, настоящее и будущее» . Журнал Айше . 59 (5): 1432–1440. DOI : 10.1002 / aic.13995 . PMC 4344831 . PMID 25733775 .  
  3. ^ a b Миллс Д. Р., Петерсон Р. Л., Шпигельман С. (июль 1967 г.). «Внеклеточный дарвиновский эксперимент с самодублирующейся молекулой нуклеиновой кислоты» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 58 (1): 217–24. Bibcode : 1967PNAS ... 58..217M . DOI : 10.1073 / pnas.58.1.217 . PMC 335620 . PMID 5231602 .  
  4. ↑ Hall BG (июль 1978 г.). «Экспериментальная эволюция новой ферментативной функции. II. Эволюция множественных функций фермента ebg в E. coli» . Генетика . 89 (3): 453–65. PMC 1213848 . PMID 97169 .  
  5. ^ Смит GP (июнь 1985). «Нитевидный слитый фаг: новые векторы экспрессии, которые отображают клонированные антигены на поверхности вириона». Наука . 228 (4705): 1315–7. Bibcode : 1985Sci ... 228.1315S . DOI : 10.1126 / science.4001944 . PMID 4001944 . 
  6. Перейти ↑ Chen K, Arnold FH (1991). «Ферментная инженерия для неводных растворителей: случайный мутагенез для повышения активности субтилизина E в полярных органических средах». Био / Технологии . 9 (11): 1073–1077. DOI : 10.1038 / nbt1191-1073 . ISSN 0733-222X . PMID 1367624 . S2CID 12380597 .   
  7. Перейти ↑ Kim, Eun-Sung (27.11.2008). «Направленная эволюция: историческое исследование эволюционной экспериментальной системы нанобиотехнологии, 1965–2006». Минерва . 46 (4): 463–484. DOI : 10.1007 / s11024-008-9108-9 . ISSN 0026-4695 . S2CID 55845851 .  
  8. ↑ Packer MS, Лю Д.Р. (июль 2015 г.). «Методы направленной эволюции белков». Обзоры природы. Генетика . 16 (7): 379–94. DOI : 10.1038 / nrg3927 . PMID 26055155 . S2CID 205486139 .  
  9. ^ «Нобелевская премия по химии 2018» . NobelPrize.org . Проверено 3 октября 2018 .
  10. Перейти ↑ Voigt CA, Kauffman S, Wang ZG (2000). «Рациональный эволюционный дизайн: теория эволюции белков in vitro». Эволюционный дизайн белков . Достижения в химии белков . 55 . С. 79–160. DOI : 10.1016 / s0065-3233 (01) 55003-2 . ISBN 9780120342556. PMID  11050933 .
  11. ^ Долби PA (август 2011). «Стратегия и успех направленной эволюции ферментов». Текущее мнение в структурной биологии . 21 (4): 473–80. DOI : 10.1016 / j.sbi.2011.05.003 . PMID 21684150 . 
  12. ^ a b Lipovsek D, Plückthun A (июль 2004 г.). «Эволюция белка in vitro путем отображения рибосом и отображения мРНК». Журнал иммунологических методов . 290 (1-2): 51–67. DOI : 10.1016 / j.jim.2004.04.008 . PMID 15261571 . 
  13. ^ a b Драйден Д.Т., Томсон А.Р., Уайт Дж. Х. (август 2008 г.). «Какая часть пространства белковых последовательностей была исследована жизнью на Земле?» . Журнал Королевского общества, Интерфейс . 5 (25): 953–6. DOI : 10,1098 / rsif.2008.0085 . PMC 2459213 . PMID 18426772 .  
  14. ^ Kuchner О, Арнольд FH (декабрь 1997). «Направленная эволюция ферментных катализаторов». Тенденции в биотехнологии . 15 (12): 523–30. DOI : 10.1016 / s0167-7799 (97) 01138-4 . PMID 9418307 . 
  15. ↑ Sen S, Venkata Dasu V, Mandal B (декабрь 2007 г.). «Разработки направленной эволюции для улучшения функций ферментов». Прикладная биохимия и биотехнология . 143 (3): 212–23. DOI : 10.1007 / s12010-007-8003-4 . PMID 18057449 . S2CID 32550018 .  
  16. Перейти ↑ Jones DD (май 2005 г.). «Удаление триплетных нуклеотидов в случайных положениях в гене-мишени: толерантность бета-лактамазы ТЕМ-1 к аминокислотной делеции» . Исследования нуклеиновых кислот . 33 (9): e80. DOI : 10.1093 / NAR / gni077 . PMC 1129029 . PMID 15897323 .  
  17. ^ Штеммер WP (август 1994). «Быстрая эволюция белка in vitro путем перетасовки ДНК». Природа . 370 (6488): 389–91. Bibcode : 1994Natur.370..389S . DOI : 10.1038 / 370389a0 . PMID 8047147 . S2CID 4363498 .  
  18. ^ Crameri A, Raillard SA, Бермудес E, Штеммер WP (январь 1998). «Перетасовка ДНК семейства генов разных видов ускоряет направленную эволюцию». Природа . 391 (6664): 288–91. Bibcode : 1998Natur.391..288C . DOI : 10.1038 / 34663 . PMID 9440693 . S2CID 4352696 .  
  19. ^ Reetz MT, Carballeira JD (2007). «Итерационный мутагенез насыщения (ISM) для быстрой направленной эволюции функциональных ферментов». Протоколы природы . 2 (4): 891–903. DOI : 10.1038 / nprot.2007.72 . PMID 17446890 . S2CID 37361631 .  
  20. ^ Hartl DL (октябрь 2014). «Чему мы можем научиться из фитнес-ландшафтов?» . Текущее мнение в микробиологии . 21 : 51–7. DOI : 10.1016 / j.mib.2014.08.001 . PMC 4254422 . PMID 25444121 .  
  21. ↑ Бадран А.Х., Лю Д.Р. (февраль 2015 г.). «Непрерывная направленная эволюция in vivo» . Текущее мнение в химической биологии . 24 : 1–10. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2014.09.040 . PMC 4308500 . PMID 25461718 .  
  22. Перейти ↑ Kumar A, Singh S (декабрь 2013 г.). «Направленная эволюция: создание биокатализаторов для промышленного применения». Критические обзоры в биотехнологии . 33 (4): 365–78. DOI : 10.3109 / 07388551.2012.716810 . PMID 22985113 . S2CID 42821437 .  
  23. ^ Willats РГ (декабрь 2002). «Фаговый дисплей: практичность и перспективы». Молекулярная биология растений . 50 (6): 837–54. DOI : 10,1023 / A: 1021215516430 . PMID 12516857 . S2CID 4960676 .  
  24. ^ a b Leemhuis H, Stein V, Griffiths AD, Hollfelder F (август 2005 г.). «Новые связи генотип-фенотип для направленной эволюции функциональных белков». Текущее мнение в структурной биологии . 15 (4): 472–8. DOI : 10.1016 / j.sbi.2005.07.006 . PMID 16043338 . 
  25. ↑ Verhoeven KD, Altstadt OC, Савинов С.Н. (март 2012 г.). «Внутриклеточное обнаружение и эволюция сайт-специфических протеаз с использованием системы генетической селекции». Прикладная биохимия и биотехнология . 166 (5): 1340–54. DOI : 10.1007 / s12010-011-9522-6 . PMID 22270548 . S2CID 36583382 .  
  26. ^ Нгуен AW, Догерти PS (март 2005). «Эволюционная оптимизация флуоресцентных белков для внутриклеточного FRET». Природа Биотехнологии . 23 (3): 355–60. DOI : 10.1038 / nbt1066 . PMID 15696158 . S2CID 24202205 .  
  27. ^ Schaerli Y, Hollfelder F (декабрь 2009). «Возможности микрожидкостных капель воды в масле в экспериментальной биологии». Молекулярные биосистемы . 5 (12): 1392–404. DOI : 10.1039 / b907578j . PMID 20023716 . 
  28. ^ Маршалл С.А., Лазар Г.А., Chirino AJ, Desjarlais JR (март 2003). «Рациональный дизайн и разработка терапевтических белков». Открытие наркотиков сегодня . 8 (5): 212–21. DOI : 10.1016 / s1359-6446 (03) 02610-2 . PMID 12634013 . 
  29. ^ Уилсон CJ (27 октября 2014). «Рациональный дизайн белка: разработка биологической терапии и нанобиотехнологических инструментов нового поколения». Междисциплинарные обзоры Wiley: наномедицина и нанобиотехнология . 7 (3): 330–41. DOI : 10.1002 / wnan.1310 . PMID 25348497 . 
  30. ^ а б Гигер Л., Канер С., Обексер Р., Каст П., Бейкер Д., Бан Н., Хилверт Д. (август 2013 г.). «Эволюция сконструированной ретроальдолазы приводит к полному ремоделированию активного сайта» . Природа Химическая биология . 9 (8): 494–8. DOI : 10.1038 / nchembio.1276 . PMC 3720730 . PMID 23748672 .  
  31. ^ Bornscheuer UT, Pohl M (апрель 2001). «Улучшенные биокатализаторы путем направленной эволюции и рационального дизайна белков». Текущее мнение в химической биологии . 5 (2): 137–43. DOI : 10.1016 / s1367-5931 (00) 00182-4 . PMID 11282339 . 
  32. ^ Арнольд, Фрэнсис; Георгиу, Джордж (2003). Направленная эволюция ферментов: методы скрининга и отбора . Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. ISBN 9781588292865. OCLC  52400248 .
  33. ^ Kaznatcheev, Артем (2019-05-01). «Вычислительная сложность как крайнее ограничение эволюции» . Генетика . 212 (1): 245–265. DOI : 10.1534 / genetics.119.302000 . ISSN 0016-6731 . PMID 30833289 .  
  34. ^ Ирам, Шамрин; Долсон, Эмили; Хиэль, Джошуа; Пелеско, Юлия; Кришнан, Нихил; Гюнгёр, Озенч; Кузнец-Спек, Беньямин; Деффнер, Себастьян; Ilker, Efe; Скотт, Джейкоб Дж .; Хинчевски, Майкл (24.08.2020). «Управление скоростью и траекторией эволюции с помощью контрдиабатического вождения» . Физика природы : 1–8. arXiv : 1912.03764 . DOI : 10.1038 / s41567-020-0989-3 . ISSN 1745-2481 . 
  35. ^ a b Goldsmith M, Tawfik DS (август 2012 г.). «Направленная эволюция ферментов: за пределами низко висящих фруктов». Текущее мнение в структурной биологии . 22 (4): 406–12. DOI : 10.1016 / j.sbi.2012.03.010 . PMID 22579412 . 
  36. ↑ Chen MM, Snow CD, Vizcarra CL, Mayo SL, Arnold FH (апрель 2012 г.). «Сравнение статистического мутагенеза и полурациональных библиотек для улучшенного гидроксилирования малых алканов, катализируемого цитохромом P450 BM3» . Белковая инженерия, дизайн и отбор . 25 (4): 171–8. DOI : 10,1093 / белок / gzs004 . PMID 22334757 . 
  37. ^ Асеведо-Роча CG, Hoebenreich S, Reetz MT (2014). «Итерационный мутагенез насыщения: мощный подход к созданию белков путем систематического моделирования дарвиновской эволюции». Направленное создание библиотеки эволюции . Методы молекулярной биологии. 1179 . С. 103–28. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-1053-3_7 . ISBN 978-1-4939-1052-6. PMID  25055773 .
  38. ^ Jochens H, Bornscheuer UT (сентябрь 2010). «Природное разнообразие для направления целенаправленной направленной эволюции». ChemBioChem . 11 (13): 1861–6. DOI : 10.1002 / cbic.201000284 . PMID 20680978 . S2CID 28333030 .  
  39. ^ Jochens H, Аэртс D, Bornscheuer UT (декабрь 2010). «Термостабилизация эстеразы посредством направленной направленной эволюции, управляемой выравниванием» . Белковая инженерия, дизайн и отбор . 23 (12): 903–9. DOI : 10,1093 / белок / gzq071 . PMID 20947674 . 
  40. ^ a b Тернер NJ (август 2009 г.). «Направленная эволюция движет новым поколением биокатализаторов». Природа Химическая биология . 5 (8): 567–73. DOI : 10.1038 / nchembio.203 . PMID 19620998 . 
  41. Перейти ↑ Romero PA, Arnold FH (декабрь 2009 г.). «Изучение ландшафтов пригодности белков путем направленной эволюции» . Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 10 (12): 866–76. DOI : 10.1038 / nrm2805 . PMC 2997618 . PMID 19935669 .  
  42. ^ Гатти-Lafranconi Р, Natalello А, Рем S, Doglia С.М., Pleiss Дж, Лотти М (январь 2010). «Эволюция стабильности в холодноактивном ферменте вызывает релаксацию специфичности и подчеркивает влияние субстрата на температурную адаптацию». Журнал молекулярной биологии . 395 (1): 155–66. DOI : 10.1016 / j.jmb.2009.10.026 . PMID 19850050 . 
  43. Перейти ↑ Zhao H, Arnold FH (январь 1999 г.). «Направленная эволюция превращает субтилизин Е в функциональный эквивалент термитазы» . Белковая инженерия . 12 (1): 47–53. DOI : 10,1093 / белок / 12.1.47 . PMID 10065710 . 
  44. ^ Favor AH, Льянос CD, MD, Youngblut Bardales JA (2020). «Оптимизация инженерии бактериофагов с помощью платформы ускоренной эволюции» . Научные отчеты . 10 (1): 13981. DOI : 10.1038 / s41598-020-70841-1 . PMC 7438504 . PMID 32814789 .  
  45. ^ Hawkins RE, Рассел SJ, Winter G (август 1992). «Отбор фаговых антител по аффинности связывания. Имитация созревания аффинности». Журнал молекулярной биологии . 226 (3): 889–96. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (92) 90639-2 . PMID 1507232 . 
  46. Перейти ↑ Shaikh FA, Withers SG (апрель 2008 г.). «Обучение старых ферментов новым приемам: разработка и эволюция гликозидаз и гликозилтрансфераз для улучшения синтеза гликозидов». Биохимия и клеточная биология . 86 (2): 169–77. DOI : 10.1139 / o07-149 . PMID 18443630 . 
  47. ^ Cheriyan М, Walters MJ, Kang BD, Anzaldi LL, Тун EJ, Fierke CA (ноябрь 2011). «Направленная эволюция пируват-альдолазы для распознавания длинноцепочечного ацильного субстрата» . Биоорганическая и медицинская химия . 19 (21): 6447–53. DOI : 10.1016 / j.bmc.2011.08.056 . PMC 3209416 . PMID 21944547 .  
  48. ^ MacBeath G, Каст P, Hilvert D (март 1998). «Перепроектирование топологии ферментов путем направленной эволюции». Наука . 279 (5358): 1958–61. Bibcode : 1998Sci ... 279.1958M . DOI : 10.1126 / science.279.5358.1958 . PMID 9506949 . 
  49. ^ Тоскано MD, Woycechowsky KJ, Hilvert D (2007). «Минималистичный редизайн активного сайта: обучение новым трюкам старых ферментов». Angewandte Chemie . 46 (18): 3212–36. DOI : 10.1002 / anie.200604205 . PMID 17450624 . 
  50. ^ Пддбо S, Пойнар Н, Серра Д, Янике-Деспрес В, Hebler Дж, Роланда Н, Кучи М, Краус Дж, Виджилант л, Hofreiter М (2004). «Генетический анализ древней ДНК». Ежегодный обзор генетики . 38 (1): 645–79. DOI : 10.1146 / annurev.genet.37.110801.143214 . PMID 15568989 . 
  51. ^ Гесс M, P Яруга, Zastawny TH, Dizdaroglu M, Pääbo S (апрель 1996). «Повреждение ДНК и получение последовательности ДНК из древних тканей» . Исследования нуклеиновых кислот . 24 (7): 1304–7. DOI : 10.1093 / NAR / 24.7.1304 . PMC 145783 . PMID 8614634 .  
  52. ^ Блум JD, Арнольд FH (июнь 2009). «В свете направленной эволюции: пути эволюции адаптивного белка» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 Приложение 1 (Приложение_1): 9995–10000. DOI : 10.1073 / pnas.0901522106 . PMC 2702793 . PMID 19528653 .  
  53. Перейти ↑ Moses AM, Davidson AR (май 2011 г.). «Эволюция in vitro идет вглубь» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (20): 8071–2. Bibcode : 2011PNAS..108.8071M . DOI : 10.1073 / pnas.1104843108 . PMC 3100951 . PMID 21551096 .  
  54. ^ Салехи-Ashtiani K, Шостак JW (ноябрь 2001). «Эволюция in vitro предполагает множественное происхождение рибозима в форме головки молотка». Природа . 414 (6859): 82–4. Bibcode : 2001Natur.414 ... 82S . DOI : 10.1038 / 35102081 . PMID 11689947 . S2CID 4401483 .  
  55. ^ Sumper M, Luce R (январь 1975). «Доказательства производства de novo самовоспроизводящихся и экологически адаптированных структур РНК с помощью репликазы бактериофага Qbeta» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 72 (1): 162–6. Полномочный код : 1975PNAS ... 72..162S . DOI : 10.1073 / pnas.72.1.162 . PMC 432262 . PMID 1054493 .  
  56. ^ Marden JH, Вольф MR, Вебер KE (ноябрь 1997). «Воздушные характеристики Drosophila melanogaster из популяций, отобранных для возможности полета против ветра». Журнал экспериментальной биологии . 200 (Pt 21): 2747–55. PMID 9418031 . 
  57. ^ Ratcliff WC, Денисон РФ, Боррьелло M, Travisano M (январь 2012). «Экспериментальная эволюция многоклеточности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (5): 1595–600. Bibcode : 2012PNAS..109.1595R . DOI : 10.1073 / pnas.1115323109 . PMC 3277146 . PMID 22307617 .  
  58. ^ Barrick JE, Ю. Д., Yoon SH, Jeong H, О Т.К., Schneider D, Ленский RE, Ким JF (октябрь 2009). «Эволюция генома и адаптация в длительном эксперименте с Escherichia coli». Природа . 461 (7268): 1243–7. Bibcode : 2009Natur.461.1243B . DOI : 10,1038 / природа08480 . PMID 19838166 . S2CID 4330305 .  
  59. ^ Хайнеман RH, Molineux IJ, Bull JJ (август 2005). «Эволюционная устойчивость оптимального фенотипа: повторная эволюция лизиса в бактериофаге, удаленном по его гену лизина». Журнал молекулярной эволюции . 61 (2): 181–91. Bibcode : 2005JMolE..61..181H . DOI : 10.1007 / s00239-004-0304-4 . PMID 16096681 . S2CID 31230414 .  
  60. ↑ Steinberg B, Ostermeier M (январь 2016 г.). «Изменения окружающей среды соединяют эволюционные долины» . Наука продвигается . 2 (1): e1500921. Bibcode : 2016SciA .... 2E0921S . DOI : 10.1126 / sciadv.1500921 . PMC 4737206 . PMID 26844293 .  
  61. ^ Арнольд FH, Wintrode PL, Miyazaki K, Гершензон A (февраль 2001). «Как ферменты адаптируются: уроки направленной эволюции». Направления биохимических наук . 26 (2): 100–6. DOI : 10.1016 / s0968-0004 (00) 01755-2 . PMID 11166567 . 
  62. ^ Aita Т, Н Хамамацу, Nomiya Y, Учияма Н, Shibanaka Y, Husimi Y (июль 2002 г.). «Изучение местного ландшафта пригодности белка с эпистатическими сайтами для изучения направленной эволюции». Биополимеры . 64 (2): 95–105. DOI : 10.1002 / bip.10126 . PMID 11979520 . 
  63. ^ Блум JD, Равал A, Вильке CO (январь 2007). «Термодинамика эволюции нейтрального белка» . Генетика . 175 (1): 255–66. DOI : 10.1534 / genetics.106.061754 . PMC 1775007 . PMID 17110496 .  
  64. ^ Bacher, JM; Эллингтон, AD (2001). «Отбор и характеристика вариантов Escherichia coli, способных расти на токсичном аналоге триптофана» . Журнал бактериологии . 183 (18): 5414–5425. DOI : 10.1128 / jb.183.18.5414-5425.2001 . PMC 95426 . PMID 11514527 .  
  65. Перейти ↑ Wong, JT (1983). «Мутация членства в генетическом коде: потеря приспособленности из-за триптофана» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 80 (20): 6303–6306. Bibcode : 1983PNAS ... 80.6303W . DOI : 10.1073 / pnas.80.20.6303 . PMC 394285 . PMID 6413975 .  
  66. ^ Hoesl, MG; Oehm, S .; Durkin, P .; Darmon, E .; Peil, L .; Aerni, H.-R .; Rappsilber, J .; Rinehart, J .; Leach, D .; Söll, D .; Будиса, Н. (2015). «Химическая эволюция бактериального протеома» . Angewandte Chemie International Edition . 54 (34): 10030–10034. DOI : 10.1002 / anie.201502868 . PMC 4782924 . PMID 26136259 .  NIHMSID: NIHMS711205
  67. ^ Agostini, F .; Völler, JS .; Кокш, Б .; Асеведо-Роча, CG; Кубышкин, В .; Будиса, Н. (2017). «Биокатализ с неприродными аминокислотами: энзимология встречает ксенобиологию». Angewandte Chemie International Edition . 56 (33): 9680–9703. DOI : 10.1002 / anie.201610129 . PMID 28085996 . 
  68. ^ Sandberg, TE; Салазар, MJ; Weng, LL; Палссон, Б.О .; Кубышкин, В .; Файст, AM (2019). «Возникновение адаптивной лабораторной эволюции как эффективного инструмента для биологических открытий и промышленной биотехнологии» . Metab Eng . 56 : 1–16. DOI : 10.1016 / j.ymben.2019.08.004 . PMC 6944292 . PMID 31401242 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Исследовательские группы
    • Исследовательская группа Дэна Тауфика
    • Исследовательская группа Ульриха Шванеберга
    • Исследовательская группа Фрэнсис Арнольд
    • Исследовательская группа Хуэйминь Чжао
    • Исследовательская группа Манфреда Ритца
    • Группа Дональда Хилверта
    • Исследовательская группа Даррена Харта
    • Исследовательская группа Чанг Лю
    • Исследовательская группа Дэвида Лю
    • Исследовательская группа Дугласа Кларка
    • Исследовательская группа Пола Долби
    • Исследовательская группа Неда Будиса
  • SeSaM-Biotech - Направленная эволюция
  • Профессор Ритц объясняет принцип направленной эволюции
  • Codexis, Inc.