进化在自然界中每天都在发生，从未停止，由自然选择压力进行筛选，往往需要漫长的时间。近代生物学的发展使人们认识到蛋白质进化大多是由于某些点突变或修饰的积累而形成的。2018年诺贝尔化学奖获得者弗朗西斯.阿诺德，其提出了酶的定向进化理论而获此殊荣。

2018年诺贝尔化学奖得主

蛋白质定向进化技术，被广泛的应用于酶分子改造，以改变酶分子的活性和催化效率，改善底物的选择性、pH和温度的耐受性等方面，也可以应用于改善代谢途径、优化代谢网络等，在蛋白质工程、代谢工程和合成生物学领域都发挥了重要的作用。

蛋白质定向进化策略

根据原理的不同，可以主要分为三种策略，随机进化、理性进化，和介于两者之间的半理性进化。这三种方式各有优缺点，其中随机进化的多样性，但样本量巨大，筛选困难，常使用易错PCR、DNA Shuffling等技术；理性进化，借助于软件建模，进行分子对接等模拟实验，减少了筛选的工作量，但往往得到的蛋白质活性不高；半理性进化，根据晶体结构进行同源建模，对特定位点进行定点饱和突变的方式，缩小突变文库，提高阳性突变率。

蛋白质定向进化策略及方法^[1]

除了理性设计突变外，其他两种进化策略所产生的突变库都需要大量的筛选工作，依靠人工进行筛选，每天重复性的机械操作让实验员感到乏味，巨大的工作量和数据量让项目经理感到崩溃，时间和资金的耗费让老板难以面对。

高通量自动化筛选加速进化过程

想要快速从成千上万的蛋白质中筛选出阳性突变，短时间内完成漫长的自然筛选过程，依靠人工筛选，需要耗费大量人力，并且人员之间的操作误差无法避免，无法实现标准化，导致结果无法相互比对，丢失一些阳性突变。

以自动化液体处理工作站为核心的自动化系统，逐渐成为酶定向进化中对突变文库进行高通量筛选的。自动化系统可以实现突变文库筛选的自动化、高效化、标准化，提高实验通量及效率，缩短酶定向进化过程的筛选周期。

以大肠杆菌为表达宿主，随机进化的策略进行酶定向进化为例。

以大肠杆菌为宿主的酶定向进化流程示意图

在上述流程中，主要以自动化液体处理工作站为核心，进行大量的液体处理，整合克隆挑选机器人解决人工挑选的限速步骤，以及培养箱、酶标仪、离心机、封膜机、撕膜机等设备，协同配合自动化完成整个流程。

Biomek i7自动化液体处理工作站及Qpix系列高通量微生物克隆筛选系统

随着技术的不断发展，流式细胞技术也被应用于突变文库的筛选之中，利用分选型流式细胞仪进行突变文库的初筛，不仅通量高、速度快，还可以根据荧光信号强度将细胞分选至96孔板、384孔板甚至是1536孔板中，进行培养和第二轮筛选。

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*本文涉及的内容与产品仅用于科研和工业，不用于临床诊断。

参考文献：

王晓玥, 王白云, 王智文, 陈涛, 赵学明等. 蛋白质定向进化的研究进展. 生物化学与生物物理进展. 2015, 42(2): 123-131.

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