2018年諾貝爾化學(xué)獎授予三位科學(xué)家，他們開發(fā)了永久改變蛋白質(zhì)工程的方法：定向進(jìn)化。模仿自然進(jìn)化，定向進(jìn)化指導(dǎo)具有改進(jìn)或新功能的蛋白質(zhì)的合成。

首先，突變原始蛋白質(zhì)以產(chǎn)生突變蛋白質(zhì)變體的集合。選擇顯示出改善的或更理想的功能的蛋白質(zhì)變體。然后將這些選擇的蛋白質(zhì)再次突變以產(chǎn)生另一輪蛋白質(zhì)變體用于另一輪選擇。重復(fù)該循環(huán)，直到最終的突變蛋白質(zhì)與原始蛋白質(zhì)相比具有優(yōu)化的性能進(jìn)化。

現(xiàn)在，來自EPFL的Ardemis Boghossian實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)能夠使用定向進(jìn)化來構(gòu)建非蛋白質(zhì)，而不是合成納米粒子。這些納米粒子被用作光學(xué)生物傳感器 - 使用光來檢測空氣，水或血液中的生物分子的微小裝置。光學(xué)生物傳感器廣泛用于生物研究，藥物開發(fā)和醫(yī)學(xué)診斷，例如糖尿病患者中胰島素和葡萄糖的實(shí)時監(jiān)測。

“定向進(jìn)化的美妙之處在于，我們可以在不知道其結(jié)構(gòu)如何與其功能相關(guān)的情況下設(shè)計一種蛋白質(zhì)，”Boghossian說。“我們甚至沒有這些大量蛋白質(zhì)的信息。”

她的小組使用定向進(jìn)化來修改DNA包裹的單壁碳納米管(或DNA-SWCNTs，因?yàn)樗鼈兛s寫)的光電特性，這是納米尺寸的碳原子管，類似于卷起的石墨烯薄片。脫氧核糖核酸。當(dāng)他們檢測到目標(biāo)時，DNA-SWCNT會發(fā)出光信號，可以穿透復(fù)雜的生物體液，如血液或尿液。

應(yīng)用于納米粒子DNA-SWCNT復(fù)合物的定向進(jìn)化方法的一般原理。起始復(fù)合物是具有暗光信號的DNA-SWCNT。這是通過定向進(jìn)化進(jìn)化而來的：(1)DNA序列的隨機(jī)突變; (2)用DNA包裹SWCNT并篩選復(fù)合物的光信號; (3)選擇表現(xiàn)出改善的光學(xué)信號的DNA-SWCNT復(fù)合物。經(jīng)過幾個進(jìn)化循環(huán)后，我們可以進(jìn)化出具有增強(qiáng)光學(xué)行為的DNA-SWCNT復(fù)合物。圖片來源：Benjamin Lambert(EPFL)

使用定向進(jìn)化方法，Boghossian的團(tuán)隊能夠設(shè)計新的DNA-SWCNT，其光信號增加高達(dá)56% - 并且他們僅在兩個進(jìn)化周期內(nèi)完成。

“這個領(lǐng)域的大多數(shù)研究人員只是篩選出不同材料的大型圖書館，希望找到一個具有所需屬性的圖書館，”Boghossian說。“在光學(xué)納米傳感器中，我們嘗試改善選擇性，亮度和靈敏度等特性。通過應(yīng)用定向進(jìn)化，我們?yōu)檠芯咳藛T提供了一種指導(dǎo)方法來設(shè)計這些納米傳感器。”

該研究表明，基本上可以使用生物工程技術(shù)來更合理地調(diào)整某些納米材料的光電特性。Boghossian解釋說：“像材料科學(xué)和物理學(xué)這樣的領(lǐng)域大多專注于定義材料結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系，使得缺乏這些信息的材料難以設(shè)計。但這是數(shù)十年前自然界解決的問題 - 并且，近幾十年來生物學(xué)家也已經(jīng)解決了這個問題。我認(rèn)為我們的研究表明，作為材料科學(xué)家和物理學(xué)家，我們?nèi)匀豢梢詮纳飳W(xué)家那里學(xué)到一些實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)。“