stringtranslate.com

Направленная эволюция

Пример направленной эволюции в сравнении с естественной эволюцией . Внутренний цикл указывает на 3 стадии цикла направленной эволюции, а естественный процесс имитируется в скобках. Внешний круг демонстрирует шаги типичного эксперимента. Красные символы указывают на функциональные варианты, бледные символы указывают на варианты с пониженной функцией.

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 раундам мутагенеза (создание библиотеки вариантов), отбора (экспрессия этих вариантов и изоляция членов с желаемой функцией) и амплификации (создание шаблона для следующего раунда). Его можно выполнять in vivo (в живых организмах) или in vitro (в клетках или свободно в растворе). Направленная эволюция используется как для белковой инженерии в качестве альтернативы рациональному проектированию модифицированных белков, так и для экспериментальных эволюционных исследований фундаментальных эволюционных принципов в контролируемой лабораторной среде.

История

Направленная эволюция берет свое начало в 1960-х годах [2] с эволюцией молекул РНК в эксперименте « Монстр Шпигельмана ». [3] Концепция была распространена на эволюцию белков через эволюцию бактерий под давлением отбора, которое благоприятствовало эволюции одного гена в их геноме. [4]

Ранние методы фагового дисплея в 1980-х годах позволяли нацеливать мутации и селекцию на один белок. [5] Это позволяло проводить селекцию белков с улучшенным связыванием , но еще не было совместимо с селекцией каталитической активности ферментов . [6] Методы эволюции ферментов были разработаны в 1990-х годах и вывели эту технологию на более широкую научную аудиторию. [7] Область быстро расширялась новыми методами создания библиотек вариантов генов и скрининга их активности. [2] [8] Разработка методов направленной эволюции была отмечена в 2018 году присуждением Нобелевской премии по химии Фрэнсис Арнольд за эволюцию ферментов и Джорджу Смиту и Грегори Винтеру за фаговый дисплей. [9]

Принципы

Направленная эволюция аналогична восхождению на холм на « приспособленческом ландшафте », где высота представляет желаемое свойство. Каждый раунд отбора выбирает мутантов со всех сторон исходного шаблона (1) и выбирает мутанта с самой высокой высотой, тем самым поднимаясь на холм. Это повторяется до тех пор, пока не будет достигнута локальная вершина (2).

Направленная эволюция — это имитация естественного эволюционного цикла в лабораторных условиях. Для эволюции необходимо три вещи: вариация между репликаторами, чтобы вариация вызывала различия в приспособленности, на которые действует отбор, и чтобы эта вариация была наследуемой . В DE один ген эволюционирует посредством итеративных 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 по направленной эволюции напрямую связана с общим размером библиотеки, поскольку оценка большего количества мутантов увеличивает шансы найти один с желаемыми свойствами. [11]

Создание вариаций

Начальный ген (слева) и библиотека вариантов (справа). Точечные мутации изменяют отдельные нуклеотиды. Вставки и делеции добавляют или удаляют участки ДНК. Перетасовка рекомбинирует сегменты двух (или более) похожих генов.
Как библиотеки ДНК генерируются случайным мутагенезом, выборочное пространство последовательностей. Показана аминокислота, замещенная в заданной позиции. Каждая точка или набор связанных точек является одним членом библиотеки. Подверженная ошибкам ПЦР случайным образом мутирует некоторые остатки в другие аминокислоты. Сканирование аланина заменяет каждый остаток белка аланином, один за другим. Насыщение сайтов заменяет каждую из 20 возможных аминокислот (или некоторое их подмножество) в одной позиции, один за другим.

Первым шагом в выполнении цикла направленной эволюции является создание библиотеки вариантных генов. Пространство последовательностей для случайной последовательности огромно (10 130 возможных последовательностей для белка из 100 аминокислот ) и крайне скудно заполнено функциональными белками. Ни экспериментальная [12], ни естественная [13] [ неудачная проверка ] эволюция никогда не смогут приблизиться к выборке такого количества последовательностей. Конечно, естественная эволюция выбирает вариантные последовательности, близкие к функциональным белковым последовательностям, и это имитируется в DE путем мутагенеза уже функционального гена. Некоторые расчеты показывают, что вполне возможно, что для всех практических (т. е. функциональных и структурных) целей пространство белковых последовательностей было полностью исследовано в ходе эволюции жизни на Земле. [13]

Начальный ген может быть мутагенизирован случайными точечными мутациями (химическими мутагенами или подверженной ошибкам ПЦР ) [14] [15] и вставками и делециями (транспозонами). [16] Рекомбинация генов может быть имитирована перетасовкой 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 функции. В зависимости от метода, созданная библиотека будет различаться по доле функциональных вариантов, которые она содержит. Даже если организм используется для экспрессии интересующего гена, путем мутагенизации только этого гена остальная часть генома организма остается прежней и может игнорироваться для эволюционного эксперимента (в той степени, в которой обеспечивается постоянная генетическая среда).

Обнаружение различий в приспособленности

Большинство мутаций вредны, поэтому библиотеки мутантов, как правило, в основном имеют варианты с пониженной активностью . [20] Поэтому высокопроизводительный анализ жизненно важен для измерения активности, чтобы найти редкие варианты с полезными мутациями, которые улучшают желаемые свойства. Существуют две основные категории методов для изоляции 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 желаемой активности. Как отбор, так и скрининг могут выполняться в живых клетках ( эволюция in vivo ) или выполняться непосредственно на белке или РНК без каких-либо клеток ( эволюция in vitro ). [21] [22]

В ходе эволюции in vivo каждая клетка (обычно бактерии или дрожжи ) трансформируется плазмидой , содержащей другой член библиотеки вариантов. Таким образом, между клетками различается только интересующий ген, а все остальные гены остаются неизменными. Клетки экспрессируют белок либо в своей цитоплазме , либо на поверхности , где можно проверить его функцию. Этот формат имеет преимущество отбора свойств в клеточной среде, что полезно, когда эволюционировавший белок или РНК должны использоваться в живых организмах. При выполнении без клеток DE включает использование транскрипции in vitro для получения белков или РНК, свободных в растворе или разделенных на компартменты в искусственных микрокаплях . Этот метод имеет преимущества, заключающиеся в большей универсальности в условиях отбора (например, температура, растворитель), и может экспрессировать белки, которые были бы токсичны для клеток. Кроме того, эксперименты по эволюции in vitro могут генерировать гораздо большие библиотеки (до 10 15 ), поскольку библиотечную ДНК не нужно вставлять в клетки (часто ограничивающий шаг).

Выбор

Выбор по связывающей активности концептуально прост. Целевая молекула иммобилизуется на твердой подложке, библиотека вариантных белков протекает по ней, плохие связующие 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. Однако этот подход отбирает только один каталитический оборот и не является хорошей моделью связывания субстрата или истинной реактивности субстрата. Если активность фермента может быть сделана необходимой для выживания клетки, либо путем синтеза жизненно важного метаболита, либо путем разрушения токсина, то выживание клетки является функцией активности фермента. [24] [25] Такие системы, как правило, ограничены по производительности только эффективностью трансформации клеток. Они также менее дороги и трудоемки, чем скрининг, однако их, как правило, сложно проектировать, они подвержены артефактам и не дают информации о диапазоне активностей , присутствующих в библиотеке.

Скрининг

Альтернативой отбору является система скрининга. Каждый вариант гена индивидуально экспрессируется и анализируется для количественного измерения активности (чаще всего с помощью колорогенного или флуорогенного продукта). Затем варианты ранжируются, и экспериментатор решает, какие варианты использовать в качестве шаблонов для следующего раунда DE. Даже самые высокопроизводительные анализы обычно имеют более низкий охват, чем методы отбора, но дают преимущество в получении подробной информации по каждому из проверенных вариантов. Эти дезагрегированные данные также можно использовать для характеристики распределения активностей в библиотеках, что невозможно в простых системах отбора. Таким образом, системы скрининга имеют преимущества, когда дело доходит до экспериментальной характеристики адаптивной эволюции и ландшафтов приспособленности.

Обеспечение наследственности

Экспрессируемый белок может быть либо ковалентно связан со своим геном (как в мРНК , слева), либо компартментализирован с ним ( клетки или искусственные компартменты , справа). В любом случае гарантируется, что ген может быть изолирован на основе активности кодируемого белка.

Когда функциональные белки были выделены, необходимо, чтобы их гены были также выделены, поэтому требуется связь генотип-фенотип . [24] Это может быть ковалентным, например, отображение мРНК , где 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 последовательности генов амплифицируются с помощью ПЦР или трансформированных бактерий-хозяев. В качестве шаблона для следующего раунда мутагенеза можно использовать либо одну лучшую последовательность, либо пул последовательностей. Повторяющиеся циклы диверсификации-селекции-амплификации генерируют варианты белка, адаптированные к применяемым давлениям отбора.

Сравнение с рациональным дизайном белка

Преимущества направленной эволюции

Рациональный дизайн белка опирается на глубокое знание структуры белка , а также его каталитического механизма . [28] [29] Затем специфические изменения вносятся с помощью направленного мутагенеза в попытке изменить функцию белка. Недостатком этого является то, что даже когда структура и механизм действия белка хорошо известны, изменение из-за мутации все еще трудно предсказать. Поэтому преимущество DE заключается в том, что нет необходимости понимать механизм желаемой активности или то, как мутации повлияют на нее. [30]

Ограничения направленной эволюции

Ограничением направленной эволюции является то, что для измерения эффектов большого количества различных случайных мутаций требуется высокопроизводительный анализ. Это может потребовать обширных исследований и разработок, прежде чем его можно будет использовать для направленной эволюции. Кроме того, такие анализы часто являются высокоспецифичными для мониторинга определенной активности и поэтому не могут быть перенесены в новые эксперименты DE. [31]

Кроме того, отбор для улучшения анализируемой функции просто генерирует улучшения анализируемой функции. Чтобы понять, как достигаются эти улучшения, необходимо измерить свойства развивающегося фермента. Улучшение анализируемой активности может быть обусловлено улучшениями каталитической активности фермента или концентрации фермента. Также нет гарантии, что улучшение на одном субстрате улучшит активность на другом. Это особенно важно, когда желаемая активность не может быть напрямую проверена или выбрана, и поэтому используется «прокси» субстрат. DE может привести к эволюционной специализации к прокси без улучшения желаемой активности. Следовательно, выбор соответствующих условий скрининга или отбора имеет жизненно важное значение для успешного DE. [32]

Скорость эволюции в эксперименте также накладывает ограничение на полезность направленной эволюции. Например, эволюция определенного фенотипа, хотя теоретически и возможна, может происходить в масштабах времени, которые практически неосуществимы. [33] Недавние теоретические подходы были направлены на преодоление ограничения скорости посредством применения контрдиабатических методов вождения из статистической физики, хотя это еще предстоит реализовать в эксперименте направленной эволюции. [34]

Комбинаторные подходы

В настоящее время изучаются комбинированные «полурациональные» подходы для устранения ограничений как рационального дизайна, так и направленной эволюции. [1] [35] Полезные мутации редки, поэтому необходимо провести скрининг большого количества случайных мутантов для поиска улучшенных вариантов. «Сфокусированные библиотеки» концентрируются на рандомизации регионов, которые считаются более богатыми полезными мутациями для этапа мутагенеза DE. Сфокусированная библиотека содержит меньше вариантов, чем традиционная библиотека случайного мутагенеза, и поэтому не требует такого высокопроизводительного скрининга.

Создание целевой библиотеки требует некоторых знаний о том, какие остатки в структуре мутируют. Например, знание активного центра фермента может позволить рандомизировать только те остатки, которые, как известно, взаимодействуют с субстратом . [36] [37] Альтернативно, знание того, какие области белка являются изменчивыми по своей природе, может направлять мутагенез только в этих областях. [38] [39]

Приложения

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

Белковая инженерия

Как инструмент белковой инженерии DE добился наибольшего успеха в трех областях:

  1. Повышение стабильности белков для биотехнологического использования при высоких температурах или в агрессивных растворителях [42] [43] [44]
  2. Улучшение связывающей способности терапевтических антител ( созревание аффинности ) [45] и активности ферментов, разработанных de novo [30]
  3. Изменение субстратной специфичности существующих ферментов, [46] [47] [48] [49] (часто для использования в промышленности) [40]

Эволюционные исследования

Изучение естественной эволюции традиционно основано на существующих организмах и их генах. Однако исследования принципиально ограничены отсутствием ископаемых (и особенно отсутствием древних последовательностей ДНК) [50] [51] и неполным знанием древних условий окружающей среды. Направленная эволюция изучает эволюцию в контролируемой системе генов для отдельных ферментов , [52] [53] [35] рибозимов [54] и репликаторов [55] [3] (аналогично экспериментальной эволюции эукариот , [56] [57] прокариот [58] и вирусов [59] ).

DE позволяет контролировать давление отбора , скорость мутаций и окружающую среду (как абиотическую среду, такую ​​как температура, так и биотическую среду, такую ​​как другие гены в организме). Кроме того, существует полная запись всех эволюционных промежуточных генов. Это позволяет проводить подробные измерения эволюционных процессов, например, эпистаза , эволюционируемости , адаптивных ограничений [60] [61] ландшафтов приспособленности , [62] и нейтральных сетей . [63]

Адаптивная лабораторная эволюция микробных протеомов

Природный аминокислотный состав протеомов может быть изменен путем глобальных канонических замен аминокислот подходящими неканоническими аналогами под экспериментально наложенным селективным давлением . Например, глобальные замены природных аминокислот на фторированные аналоги в масштабах всего протеома были предприняты в Escherichia coli [64] и Bacillus subtilis . [65] Полная замена триптофана на тиенопиррол-аланин в ответ на 20899 кодонов UGG в Escherichia coli была сообщена в 2015 году Будисой и Сёллем . [66] Ожидается, что экспериментальная эволюция микробных штаммов с четко определенным размещением дополнительной аминокислоты будет способствовать экспериментальному расширению генетического кода . [67] Направленная эволюция обычно нацелена на определенный ген для мутагенеза , а затем проверяет полученные варианты на наличие интересующего фенотипа , часто независимо от эффектов приспособленности , тогда как адаптивная лабораторная эволюция выбирает множество мутаций по всему геному , которые способствуют приспособленности активно растущих культур. [68]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Lutz S (декабрь 2010 г.). «За пределами направленной эволюции — полурациональная белковая инженерия и дизайн». Current Opinion in Biotechnology . 21 (6): 734–43. doi :10.1016/j.copbio.2010.08.011. PMC  2982887. PMID  20869867 .
  2. ^ ab Cobb RE, Chao R, Zhao H (май 2013 г.). «Направленная эволюция: прошлое, настоящее и будущее». Журнал AIChE . 59 (5): 1432–1440. doi :10.1002/aic.13995. PMC 4344831. PMID  25733775 . 
  3. ^ ab Mills DR, Peterson RL, Spiegelman S (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. ^ Холл Б. Г. (июль 1978 г.). «Экспериментальная эволюция новой ферментативной функции. II. Эволюция множественных функций фермента ebg в E. coli». Генетика . 89 (3): 453–65. doi :10.1093/genetics/89.3.453. PMC 1213848. PMID 97169  . 
  5. ^ Смит ГП (июнь 1985). «Нитчатый слитый фаг: новые векторы экспрессии, которые отображают клонированные антигены на поверхности вириона». Science . 228 (4705): 1315–7. Bibcode :1985Sci...228.1315S. doi :10.1126/science.4001944. PMID  4001944.
  6. ^ Чен К, Арнольд ФХ (1991). «Инженерия ферментов для неводных растворителей: случайный мутагенез для повышения активности субтилизина Е в полярных органических средах». Bio/Technology . 9 (11): 1073–1077. doi :10.1038/nbt1191-1073. ISSN  0733-222X. PMID  1367624. S2CID  12380597.
  7. ^ Ким, Ын-Сун (27.11.2008). «Направленная эволюция: историческое исследование эволюционной экспериментальной системы нанобиотехнологии, 1965–2006». Minerva . 46 (4): 463–484. doi :10.1007/s11024-008-9108-9. ISSN  0026-4695. S2CID  55845851.
  8. ^ Packer MS, Liu DR (июль 2015 г.). «Методы направленной эволюции белков». Nature Reviews. Genetics . 16 (7): 379–94. doi :10.1038/nrg3927. PMID  26055155. S2CID  205486139.
  9. ^ "Нобелевская премия по химии 2018 года". NobelPrize.org . Получено 2018-10-03 .
  10. ^ Voigt CA, Kauffman S, Wang ZG (2000). «Рациональный эволюционный дизайн: теория эволюции белков in vitro». Evolutionary Protein Design . Том 55. С. 79–160. doi :10.1016/s0065-3233(01)55003-2. ISBN 9780120342556. PMID  11050933. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  11. ^ Dalby PA (август 2011). «Стратегия и успех направленной эволюции ферментов». Current Opinion in Structural Biology . 21 (4): 473–80. doi :10.1016/j.sbi.2011.05.003. PMID  21684150.
  12. ^ ab Lipovsek D, Plückthun A (июль 2004 г.). «Эволюция белка in vitro с помощью рибосомного дисплея и мРНК-дисплея». Журнал иммунологических методов . 290 (1–2): 51–67. doi :10.1016/j.jim.2004.04.008. PMID  15261571.
  13. ^ ab Dryden DT, Thomson AR, White JH (август 2008 г.). «Сколько пространства последовательностей белков было исследовано жизнью на Земле?». Журнал Королевского общества, Интерфейс . 5 (25): 953–6. doi :10.1098/rsif.2008.0085. PMC 2459213. PMID  18426772 . 
  14. ^ Кучнер О, Арнольд ФХ (декабрь 1997 г.). «Направленная эволюция ферментных катализаторов». Тенденции в биотехнологии . 15 (12): 523–30. doi : 10.1016/s0167-7799(97)01138-4 . PMID  9418307.
  15. ^ Сен С, Венката Дасу В, Мандал Б (декабрь 2007 г.). «Разработки в области 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. ^ Jones DD (май 2005 г.). «Удаление триплетных нуклеотидов в случайных положениях в целевом гене: толерантность бета-лактамазы TEM-1 к делеции аминокислоты». Nucleic Acids Research . 33 (9): e80. doi :10.1093/nar/gni077. PMC 1129029. PMID  15897323 . 
  17. ^ Stemmer WP (август 1994). «Быстрая эволюция белка in vitro путем перетасовки ДНК». Nature . 370 (6488): 389–91. Bibcode :1994Natur.370..389S. doi :10.1038/370389a0. PMID  8047147. S2CID  4363498.
  18. ^ Crameri A, Raillard SA, Bermudez E, Stemmer WP (январь 1998 г.). «Перетасовка ДНК семейства генов различных видов ускоряет направленную эволюцию». Nature . 391 (6664): 288–91. Bibcode :1998Natur.391..288C. doi :10.1038/34663. PMID  9440693. S2CID  4352696.
  19. ^ Reetz MT, Carballeira JD (2007). «Итеративный насыщающий мутагенез (ISM) для быстрой направленной эволюции функциональных ферментов». Nature Protocols . 2 (4): 891–903. doi :10.1038/nprot.2007.72. PMID  17446890. S2CID  37361631.
  20. ^ Hartl DL (октябрь 2014 г.). «Чему мы можем научиться из ландшафтов приспособленности?». Current Opinion in Microbiology . 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». Современное мнение в области химической биологии . 24 : 1–10. дои : 10.1016/j.cbpa.2014.09.040. ПМК 4308500 . ПМИД  25461718. 
  22. ^ Кумар А, Сингх С (декабрь 2013 г.). «Направленная эволюция: адаптация биокатализаторов для промышленного применения». Критические обзоры в биотехнологии . 33 (4): 365–78. doi :10.3109/07388551.2012.716810. PMID  22985113. S2CID  42821437.
  23. ^ Willats WG (декабрь 2002 г.). «Фаговый дисплей: практические аспекты и перспективы». Plant Molecular Biology . 50 (6): 837–54. doi :10.1023/A:1021215516430. PMID  12516857. S2CID  4960676.
  24. ^ ab Leemhuis H, Stein V, Griffiths AD, Hollfelder F (август 2005 г.). «Новые связи генотипа и фенотипа для направленной эволюции функциональных белков». Current Opinion in Structural Biology . 15 (4): 472–8. doi :10.1016/j.sbi.2005.07.006. PMID  16043338.
  25. ^ Verhoeven KD, Altstadt OC, Savinov SN (март 2012). «Внутриклеточное обнаружение и эволюция сайт-специфических протеаз с использованием генетической системы отбора». Applied Biochemistry and Biotechnology . 166 (5): 1340–54. doi :10.1007/s12010-011-9522-6. PMID  22270548. S2CID  36583382.
  26. ^ Нгуен AW, Догерти PS (март 2005 г.). «Эволюционная оптимизация флуоресцентных белков для внутриклеточного FRET». Nature Biotechnology . 23 (3): 355–60. doi :10.1038/nbt1066. PMID  15696158. S2CID  24202205.
  27. ^ Schaerli Y, Hollfelder F (декабрь 2009 г.). «Потенциал микрожидкостных капель воды в масле в экспериментальной биологии». Molecular BioSystems . 5 (12): 1392–404. doi :10.1039/b907578j. PMID  20023716.
  28. ^ Маршалл СА, Лазар ГА, Чирино АДЖ, Дежарле ДЖР (март 2003 г.). «Рациональный дизайн и проектирование терапевтических белков». Drug Discovery Today . 8 (5): 212–21. doi :10.1016/s1359-6446(03)02610-2. PMID  12634013.
  29. ^ Wilson CJ (27 октября 2014 г.). «Рациональный дизайн белков: разработка биологических терапевтических средств и нанобиотехнологических инструментов следующего поколения». Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology . 7 (3): 330–41. doi :10.1002/wnan.1310. PMID  25348497.
  30. ^ ab Giger L, Caner S, Obexer R, Kast P, Baker D, Ban N, Hilvert D (август 2013 г.). «Эволюция спроектированной ретроальдолазы приводит к полной перестройке активного участка». Nature Chemical Biology . 9 (8): 494–8. doi :10.1038/nchembio.1276. PMC 3720730 . PMID  23748672. 
  31. ^ Bornscheuer UT, Pohl M (апрель 2001 г.). «Улучшенные биокатализаторы с помощью направленной эволюции и рационального дизайна белков». Current Opinion in Chemical Biology . 5 (2): 137–43. doi :10.1016/s1367-5931(00)00182-4. PMID  11282339.
  32. ^ Арнольд, Фрэнсис; Джорджиу, Джордж (2003). Направленная эволюция ферментов: методы скрининга и отбора . Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. ISBN 9781588292865. OCLC  52400248.
  33. ^ Казначеев, Артем (2019-05-01). «Вычислительная сложность как конечное ограничение эволюции». Генетика . 212 (1): 245–265. doi : 10.1534/genetics.119.302000 . ISSN  0016-6731. PMC 6499524. PMID 30833289  . 
  34. ^ Ирам, Шамрин; Долсон, Эмили; Чил, Джошуа; Пелеско, Джулия; Кришнан, Нихил; Гюнгор, Озенч; Кузнец-Шпек, Бенджамин; Деффнер, Себастьян; Илькер, Эфе; Скотт, Джейкоб Г.; Хинчевски, Майкл (24.08.2020). «Управление скоростью и траекторией эволюции с помощью контрдиабатного вождения». Nature Physics . 17 : 135–142. arXiv : 1912.03764 . doi :10.1038/s41567-020-0989-3. ISSN  1745-2481. S2CID  224474363.
  35. ^ ab Goldsmith M, Tawfik DS (август 2012 г.). «Направленная эволюция ферментов: за пределами низко висящих фруктов». Current Opinion in Structural Biology . 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 случайного мутагенеза и полурациональных спроектированных библиотек для улучшенного гидроксилирования малых алканов, катализируемого цитохромом P450 BM3». Protein Engineering, Design & Selection . 25 (4): 171–8. doi : 10.1093/protein/gzs004 . PMID  22334757.
  37. ^ Acevedo-Rocha CG, Hoebenreich S, Reetz MT (2014). «Итеративный насыщающий мутагенез: мощный подход к разработке белков путем систематического моделирования дарвиновской эволюции». Создание библиотеки направленной эволюции . Методы в молекулярной биологии. Том 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 г.). «Естественное разнообразие для руководства целенаправленной направленной эволюцией». ChemBioChem . 11 (13): 1861–6. doi : 10.1002/cbic.201000284 . PMID  20680978. S2CID  28333030.
  39. ^ Jochens H, Aerts D, Bornscheuer UT (декабрь 2010 г.). «Термостабилизация эстеразы с помощью направленной эволюции, управляемой выравниванием». Protein Engineering, Design & Selection . 23 (12): 903–9. doi : 10.1093/protein/gzq071 . PMID  20947674.
  40. ^ ab Turner NJ (август 2009). «Направленная эволюция движет следующим поколением биокатализаторов». Nature Chemical Biology . 5 (8): 567–73. doi :10.1038/nchembio.203. PMID  19620998.
  41. ^ Romero PA, Arnold FH (декабрь 2009 г.). «Изучение ландшафтов приспособленности белков с помощью направленной эволюции». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 10 (12): 866–76. doi :10.1038/nrm2805. PMC 2997618. PMID  19935669 . 
  42. ^ Gatti-Lafranconi P, Natalello A, Rehm S, Doglia SM, Pleiss J, Lotti M (январь 2010 г.). «Эволюция стабильности фермента, активного при холоде, 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. ^ Zhao H, Arnold FH (январь 1999). «Направленная эволюция превращает субтилизин E в функциональный эквивалент термитазы». Protein Engineering . 12 (1): 47–53. doi : 10.1093/protein/12.1.47 . PMID  10065710.
  44. ^ Favor AH, Llanos CD, Youngblut MD, Bardales JA (2020). «Оптимизация инженерии бактериофагов с помощью платформы ускоренной эволюции». Scientific Reports . 10 (1): 13981. doi :10.1038/s41598-020-70841-1. PMC 7438504. PMID  32814789. 
  45. ^ Хокинс RE, Рассел SJ, Винтер G (август 1992). «Выбор фаговых антител по связывающей аффинности. Имитация созревания аффинности». Журнал молекулярной биологии . 226 (3): 889–96. doi :10.1016/0022-2836(92)90639-2. PMID  1507232.
  46. ^ Shaikh FA, Withers SG (апрель 2008 г.). «Обучение старых ферментов новым трюкам: проектирование и эволюция гликозидаз и гликозилтрансфераз для улучшенного синтеза гликозидов». Биохимия и клеточная биология . 86 (2): 169–77. doi :10.1139/o07-149. PMID  18443630.
  47. ^ Cheriyan M, Walters MJ, Kang BD, Anzaldi LL, Toone EJ, Fierke CA (ноябрь 2011 г.). «Направленная эволюция пируватальдолазы для распознавания длинноцепочечного ацильного субстрата». Bioorganic & Medicinal Chemistry . 19 (21): 6447–53. doi :10.1016/j.bmc.2011.08.056. PMC 3209416 . PMID  21944547. 
  48. ^ MacBeath G, Kast P, Hilvert D (март 1998). «Перепроектирование топологии фермента путем направленной эволюции». Science . 279 (5358): 1958–61. Bibcode :1998Sci...279.1958M. doi :10.1126/science.279.5358.1958. PMID  9506949.
  49. ^ Toscano MD, Woycechowsky KJ, Hilvert D (2007). «Минималистская переделка активного центра: обучение старых ферментов новым трюкам». Angewandte Chemie . 46 (18): 3212–36. doi :10.1002/anie.200604205. PMID  17450624.
  50. ^ Паабо С., Пойнар Х., Серр Д., Янике-Деспре В., Хеблер Дж., Роланд Н., Куч М., Краузе Дж., Виджилант Л., Хофрайтер М. (2004). «Генетический анализ древней ДНК». Ежегодный обзор генетики . 38 (1): 645–79. дои : 10.1146/annurev.genet.37.110801.143214 . ПМИД  15568989.
  51. ^ Höss M, Jaruga P, Zastawny TH, Dizdaroglu M, Pääbo S (апрель 1996 г.). «Повреждение ДНК и извлечение последовательности ДНК из древних тканей». Nucleic Acids Research . 24 (7): 1304–7. doi :10.1093/nar/24.7.1304. PMC 145783. PMID  8614634 . 
  52. ^ Bloom JD, Arnold FH (июнь 2009 г.). «В свете направленной эволюции: пути адаптивной эволюции белков». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 Suppl 1 (Supplement_1): 9995–10000. doi : 10.1073/pnas.0901522106 . PMC 2702793. PMID  19528653 . 
  53. ^ Moses AM, Davidson AR (май 2011 г.). «In vitro evolution goes deep» (эволюция in vitro уходит глубоко). 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. ^ Salehi-Ashtiani K, Szostak JW (ноябрь 2001 г.). «Эволюция in vitro предполагает множественное происхождение рибозима молотковидной формы». Nature . 414 (6859): 82–4. Bibcode :2001Natur.414...82S. doi :10.1038/35102081. PMID  11689947. S2CID  4401483.
  55. ^ Sumper M, Luce R (январь 1975). «Доказательства de novo производства самовоспроизводящихся и адаптированных к окружающей среде структур РНК репликазой бактериофага Qbeta». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 72 (1): 162–6. Bibcode :1975PNAS...72..162S. doi : 10.1073/pnas.72.1.162 . PMC 432262 . PMID  1054493. 
  56. ^ Marden JH, Wolf MR, Weber KE (ноябрь 1997 г.). «Воздушные характеристики Drosophila melanogaster из популяций, отобранных по способности к полету против ветра». Журнал экспериментальной биологии . 200 (Pt 21): 2747–55. doi :10.1242/jeb.200.21.2747. PMID  9418031.
  57. ^ Ratcliff WC, Denison RF, Borrello M, Travisano M (январь 2012 г.). «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, Yu DS, Yoon SH, Jeong H, Oh TK, Schneider D, Lenski RE, Kim JF (октябрь 2009 г.). «Эволюция и адаптация генома в долгосрочном эксперименте с Escherichia coli». Nature . 461 (7268): 1243–7. Bibcode :2009Natur.461.1243B. doi :10.1038/nature08480. PMID  19838166. S2CID  4330305.
  59. ^ Heineman RH, Molineux IJ, Bull JJ (август 2005 г.). «Эволюционная надежность оптимального фенотипа: повторная эволюция лизиса в бактериофаге, удаленном для его гена лизина». Journal of Molecular Evolution . 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 перекрывают эволюционные долины». Science Advances . 2 (1): e1500921. Bibcode : 2016SciA....2E0921S. doi : 10.1126/sciadv.1500921. PMC 4737206. PMID  26844293. 
  61. ^ Arnold FH, Wintrode PL, Miyazaki K, Gershenson A (февраль 2001 г.). «Как адаптируются ферменты: уроки направленной эволюции». Trends in Biochemical Sciences . 26 (2): 100–6. doi :10.1016/s0968-0004(00)01755-2. PMID  11166567. S2CID  13331137.
  62. ^ Aita T, Hamamatsu N, Nomiya Y, Uchiyama H, Shibanaka Y, Husimi Y (июль 2002 г.). «Исследование локального ландшафта приспособленности белка с эпистатическими сайтами для изучения направленной эволюции». Biopolymers . 64 (2): 95–105. doi :10.1002/bip.10126. PMID  11979520.
  63. ^ Bloom JD, Raval A, Wilke CO (январь 2007 г.). «Термодинамика эволюции нейтральных белков». Genetics . 175 (1): 255–66. arXiv : q-bio/0605041 . doi :10.1534/genetics.106.061754. PMC 1775007 . PMID  17110496. 
  64. ^ Bacher, JM; Ellington, AD (2001). «Выбор и характеристика вариантов Escherichia coli, способных к росту на токсичном аналоге триптофана». Журнал бактериологии . 183 (18): 5414–5425. doi : 10.1128 /jb.183.18.5414-5425.2001. PMC 95426. PMID  11514527. 
  65. ^ Вонг, Дж. Т. (1983). «Мутация членства в генетическом коде: потеря приспособленности триптофаном». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 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.; Budisa, N. (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.; Koksch, B.; Acevedo-Rocha, CG; Kubyshkin, V.; Budisa, N. (2017). «Биокатализ с неприродными аминокислотами: энзимология встречается с ксенобиологией». Angewandte Chemie International Edition . 56 (33): 9680–9703. doi :10.1002/anie.201610129. PMID  28085996.
  68. ^ Сандберг, TE; Салазар, MJ; Венг, LL; Палссон, BO; Кубышкин, V.; Фейст, AM (2019). «Появление 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

В Scholia есть тематический профиль по теме «Направленная эволюция» .