定向进化构建纳米粒子

2018年诺贝尔化学奖授予三位科学家，他们开发了永久改变蛋白质工程的方法：定向进化。模仿自然进化，定向进化指导具有改进或新功能的蛋白质的合成。

首先，突变原始蛋白质以产生突变蛋白质变体的集合。选择显示出改善的或更理想的功能的蛋白质变体。然后将这些选择的蛋白质再次突变以产生另一轮蛋白质变体用于另一轮选择。重复该循环，直到最终的突变蛋白质与原始蛋白质相比具有优化的性能进化。

现在，来自EPFL的Ardemis Boghossian实验室的科学家已经能够使用定向进化来构建非蛋白质，而不是合成纳米粒子。这些纳米粒子被用作光学生物传感器 - 使用光来检测空气，水或血液中的生物分子的微小装置。光学生物传感器广泛用于生物研究，药物开发和医学诊断，例如糖尿病患者中胰岛素和葡萄糖的实时监测。

“定向进化的美妙之处在于，我们可以在不知道其结构如何与其功能相关的情况下设计一种蛋白质，”Boghossian说。“我们甚至没有这些大量蛋白质的信息。”

她的小组使用定向进化来修改DNA包裹的单壁碳纳米管(或DNA-SWCNTs，因为它们缩写)的光电特性，这是纳米尺寸的碳原子管，类似于卷起的石墨烯薄片。脱氧核糖核酸。当他们检测到目标时，DNA-SWCNT会发出光信号，可以穿透复杂的生物体液，如血液或尿液。

应用于纳米粒子DNA-SWCNT复合物的定向进化方法的一般原理。起始复合物是具有暗光信号的DNA-SWCNT。这是通过定向进化进化而来的：(1)DNA序列的随机突变; (2)用DNA包裹SWCNT并筛选复合物的光信号; (3)选择表现出改善的光学信号的DNA-SWCNT复合物。经过几个进化循环后，我们可以进化出具有增强光学行为的DNA-SWCNT复合物。图片来源：Benjamin Lambert(EPFL)

使用定向进化方法，Boghossian的团队能够设计新的DNA-SWCNT，其光信号增加高达56% - 并且他们仅在两个进化周期内完成。

“这个领域的大多数研究人员只是筛选出不同材料的大型图书馆，希望找到一个具有所需属性的图书馆，”Boghossian说。“在光学纳米传感器中，我们尝试改善选择性，亮度和灵敏度等特性。通过应用定向进化，我们为研究人员提供了一种指导方法来设计这些纳米传感器。”

该研究表明，基本上可以使用生物工程技术来更合理地调整某些纳米材料的光电特性。Boghossian解释说：“像材料科学和物理学这样的领域大多专注于定义材料结构 - 功能关系，使得缺乏这些信息的材料难以设计。但这是数十年前自然界解决的问题 - 并且，近几十年来生物学家也已经解决了这个问题。我认为我们的研究表明，作为材料科学家和物理学家，我们仍然可以从生物学家那里学到一些实用的经验。“