En médecine et en biotechnologie, la capacité d'évoluer des protéines avec des fonctions nouvelles ou améliorées est cruciale, mais les méthodes actuelles sont souvent lentes et laborieuses. Désormais, les chercheurs de Scripps ont développé une plate-forme de biologie synthétique qui accélère l'évolution elle-même, ce qui permet aux chercheurs d'évoluer des protéines avec des propriétés utiles et de nouvelles fois plus rapidement que la nature. Le système, nommé T7-Oracle, a été décrit dans Science Le 7 août 2025, et représente une percée dans la façon dont les chercheurs peuvent concevoir des protéines thérapeutiques pour le cancer, la neurodégénérescence et essentiellement toute autre zone de maladie.
C'est comme donner à Evolution un bouton rapide. Vous pouvez désormais évoluer des protéines en continu et précisément à l'intérieur des cellules sans endommager le génome de la cellule ou nécessiter des étapes à forte intensité de main-d'œuvre. «
Pete Schultz, auteur co-ennior, président et chef de la direction de Scripps Research, où il détient également la présidente présidentielle de Skaggs LS « Sam »
L'évolution dirigée est un processus de laboratoire qui implique l'introduction de mutations et la sélection des variantes avec une fonction améliorée sur plusieurs cycles. Il est utilisé pour adapter les protéines avec des propriétés souhaitées, telles que des anticorps hautement sélectifs et à haute affinité, des enzymes avec de nouvelles spécificités ou des propriétés catalytiques, ou pour étudier l'émergence de mutations de résistance dans les cibles médicamenteuses. Cependant, les méthodes traditionnelles nécessitent souvent des cycles répétés de manipulation et de test de l'ADN à chaque tour en prenant une semaine ou plus. Les systèmes d'évolution continue – où les protéines évoluent à l'intérieur des cellules vivantes sans intervention manuelle – pour rationaliser ce processus en permettant une mutation et une sélection simultanées à chaque tour de division cellulaire (environ 20 minutes pour les bactéries). Mais les approches existantes ont été limitées par la complexité technique ou les taux de mutation modestes.
T7-Oracle contourne ces goulots d'étranglement par ingénierie E. coli Bactéries-A Organisme modèle standard dans la biologie moléculaire pour héberger un deuxième système de réplication de l'ADN artificiel dérivé de bactériophage T7, un virus qui infecte les bactéries et a été largement étudié pour son système de réplication simple et efficace. T7-Oracle permet une hypermutation continue et une évolution accélérée des biomacromolécules et est conçue pour être largement applicable à de nombreuses cibles protéiques et défis biologiques. Conceptuellement, T7-Oracle s'appuie et étend les efforts sur les systèmes de réplication orthogonaux existants, ils fonctionnent séparément de la machinerie de la cellule Saccharomyces cerevisiae (Baker's Levure) et écoré E. coli. Par rapport à ces systèmes, T7-Oracle bénéficie de la combinaison de mutagenèse élevée, de croissance rapide, d'efficacité de transformation élevée et de facilité avec laquelle les deux E. coli L'hôte et le plasmide de réplicon circulaire peuvent être intégrés dans des flux de travail de biologie moléculaire standard.
Le système orthogonal Oracle T-7 ne cible que l'ADN plasmidique (petits morceaux circulaires de matériel génétique), laissant le génome de l'hôte de la cellule intact. Par l'ingénierie de l'ADN polymérase T7 (une enzyme virale qui reproduit l'ADN) comme sujette aux erreurs, les chercheurs ont introduit des mutations dans des gènes cibles à un taux 100 000 fois plus élevé que la normale sans endommager les cellules hôtes.
« Ce système représente une avancée majeure dans l'évolution continue », explique Christian Diercks, auteur co-ennior, professeur adjoint de chimie à Scripps Research. « Au lieu d'un cycle d'évolution par semaine, vous obtenez un tour à chaque fois que la cellule se divise – donc cela accélère vraiment le processus. »
Pour démontrer la puissance du T7-Oracle, l'équipe de recherche a inséré un gène de résistance antibiotique commun, Tem-1 β-lactamase, dans le système et exposé le E. coli Cellules à escalader les doses de divers antibiotiques. En moins d'une semaine, le système a évolué les versions de l'enzyme qui pourraient résister aux niveaux d'antibiotiques jusqu'à 5 000 fois plus élevés que l'original. Cette preuve de concept a démontré non seulement la vitesse et la précision de T7-Oracle, mais aussi sa pertinence réelle en reproduisant le développement de la résistance en réponse aux antibiotiques.
« La partie surprenante était à quel point les mutations que nous avons vues correspondent aux mutations de résistance réelle trouvées dans les milieux cliniques », note Diercks. « Dans certains cas, nous avons vu de nouvelles combinaisons qui fonctionnaient encore mieux que celles que vous verriez dans une clinique. »
Mais Diercks souligne que l'étude n'est pas axée sur la résistance aux antibiotiques en soi.
« Ce n'est pas un article sur TEM-1 β-lactamase », explique-t-il. « Ce gène n'était qu'une référence bien caractérisée pour montrer comment le système fonctionne. Ce qui compte, c'est que nous pouvons désormais évoluer pratiquement toutes les protéines, comme les cibles de médicament contre le cancer et les enzymes thérapeutiques, en quelques jours au lieu de mois. »
Le potentiel plus large de T7-Oracle réside dans son adaptabilité en tant que plate-forme pour l'ingénierie des protéines. Bien que le système soit intégré à E. colila bactérie sert principalement de vaisseau pour l'évolution continue. Les scientifiques peuvent insérer des gènes des humains, des virus ou d'autres sources dans des plasmides, qui sont ensuite introduits dans E. coli Cellules. T7-Oracle mute ces gènes, générant des protéines variantes qui peuvent être dépistées ou sélectionnées pour une fonction améliorée. Parce que E. coli est facile à cultiver et largement utilisé dans les laboratoires, il fournit un système pratique et évolutif pour évoluer pratiquement toutes les protéines d'intérêt.
Cela pourrait aider les scientifiques à évoluer plus rapidement des anticorps pour cibler des cancers spécifiques, à évoluer des enzymes thérapeutiques plus efficaces et à concevoir des protéases qui ciblent les protéines impliquées dans le cancer et les maladies neurodégénératives.
« Ce qui est excitant, c'est qu'il ne se limite pas à une maladie ou à un type de protéines », explique Diercks. « Parce que le système est personnalisable, vous pouvez déposer n'importe quel gène et l'évoluer vers la fonction dont vous avez besoin. »
De plus, T7-Oracle fonctionne avec Standard E. coli cultures et flux de travail de laboratoire largement utilisés, en évitant les protocoles complexes requis par d'autres systèmes d'évolution continue.
« L'essentiel qui distingue ceci est de savoir à quel point il est facile d'implémenter », ajoute Diercks. « Il n'y a pas d'équipement ou d'expertise spécialisée requise. Si vous travaillez déjà avec E. colivous pouvez probablement utiliser ce système avec un minimum d'ajustements. «
T7-Oracle reflète l'objectif plus large de Schultz: reconstruire des processus biologiques clés tels que la réplication de l'ADN, la transcription de l'ARN et la traduction des protéines – ils fonctionnent donc indépendamment de la cellule hôte. Cette séparation permet aux scientifiques de reprogrammer ces processus sans perturber l'activité cellulaire normale. En découplant les processus fondamentaux du génome, des outils comme T7-Oracle aident à faire progresser la biologie synthétique.
« À l'avenir, nous sommes intéressés à utiliser ce système pour faire évoluer les polymérases qui peuvent reproduire des acides nucléiques entièrement non naturels: des molécules synthétiques qui ressemblent à l'ADN et à l'ARN mais avec de nouvelles propriétés chimiques« dit Diercks. « Cela ouvrirait des possibilités en génomique synthétique que nous commençons à peine à explorer. »
Actuellement, l'équipe de recherche est axée sur l'évolution des enzymes dérivées de l'homme à des fins thérapeutiques et sur la couture des protéases pour reconnaître des séquences de protéines liées au cancer spécifiques.
« L'approche T7-Oracle fusionne le meilleur des deux mondes », explique Schultz. « Nous pouvons maintenant combiner la conception des protéines rationnelles avec une évolution continue pour découvrir des molécules fonctionnelles plus efficacement que jamais. »
