悉尼大学的研究人员开发出一种能够在活体哺乳动物细胞内模拟自然选择的系统，但整个过程是在高度受控环境中完成的。他们将其命名为PROTEUS（全称为_PROTein Evolution Using Selection_），这一技术可能会改变从基因疗法到抗病蛋白质的设计方式。
“PROTEUS可以用来生成高度适应人体功能的新分子，”共同资深作者格雷格·尼利教授（Professor Greg Neely）表示，“我们可以利用它来制造用现有技术难以或无法实现的新药物。”
长期以来，科学家们通过定向进化——一种模仿达尔文突变与选择机制的实验室方法——来进化酶、抗体和其他分子以满足特定需求。然而，几乎所有这些实验都是在细菌或酵母等简单生物体中进行的。虽然这些系统操作快速且易于操控，但它们缺乏人类细胞的复杂性。
尼利教授的团队首次成功地将整个进化机制引入了哺乳动物细胞，并实现了规模化操作。
利用合成病毒模拟自然选择
PROTEUS的核心是一种对病毒的巧妙改造。研究团队并未使用可能导致疾病的活体复制型病毒，而是设计了嵌合病毒样囊泡。这些囊泡本质上是无害的遗传物质包裹体。
这些囊泡基于改良版的塞姆利基森林病毒（Semliki Forest Virus），这是一种能够进入哺乳动物细胞的阿尔法病毒。不过，研究团队移除了可能导致感染的病毒衣壳蛋白，并替换了来自完全不同病毒的包膜蛋白。这种杂交设计使PROTEUS能够安全且稳定地运行。
最终成果是一个稳定且自成一体的进化回路。每一轮循环开始时，携带目标基因的囊泡会进入宿主哺乳动物细胞。在细胞内部，易错酶会引入突变。如果突变后的基因提升了细胞的存活率或活性——例如通过激活某种关键蛋白——细胞便帮助该版本的基因传播。这正是被加速朝向特定目标的进化过程。定向进化的最初发展始于细菌研究，并因此获得了2018年诺贝尔化学奖。
“定向进化的发明改变了生物化学的发展轨迹，”克里斯托弗·德内斯博士（Dr. Cristopher Denes）表示，“现在，借助PROTEUS，我们可以在哺乳动物细胞中编程解决尚不清楚如何应对的遗传问题。”
为人体设计更优工具
为了验证系统的有效性，研究团队对PROTEUS进行了多项测试。
首先，他们挑战了一个经典问题：进化出对多西环素（doxycycline）的抗性。多西环素是一种广谱抗生素，通常会在细胞中关闭合成基因。经过四轮进化后，系统选出了双突变版本的tTA蛋白，即使在药物存在的情况下，这种蛋白仍能继续发挥作用。
接下来，他们转向一个更为微妙的问题：PROTEUS能否改进一个已经高度优化的基因开关？
答案是肯定的。研究人员选择了广泛使用的基因调控因子_rtTA-3G_，它能够响应多西环素激活基因。随后，他们让PROTEUS运行了30轮。
最终，系统进化出了一个新版本rtTA-4G，包含两个细微突变：D5N和M59I。这些变化使蛋白的敏感性提高了近六倍。在实验室培养的人类胚胎样体中，升级后的开关即使在低剂量药物下也能比其前身更高效地激活基因。
重要的是，这些变化仅在哺乳动物细胞中有效，而在细菌中无效。这是早期系统从未实现过的成就。
所有进化实验均在BHK-21细胞中进行，这种细胞源自幼仓鼠肾脏。由于这些细胞缺乏强烈的抗病毒干扰素反应，因此被广泛用于病毒学研究，为像PROTEUS这样的RNA系统提供了安全且允许复制的环境。
这一设计选择是刻意为之。构建稳定的定向进化系统需要高突变率和多轮复制。但在人类细胞中，这些特性会触发防御性关闭。
尽管进化本身发生在仓鼠细胞中，但产生的分子在更接近人类的环境中得到了测试并证明有效。
能够检测DNA损伤的生物传感器
最令人印象深刻的演示之一是研究团队利用PROTEUS进化出了一种细胞内生物传感器。具体来说，这是一种能够检测DNA损伤的纳米抗体。这是癌症和衰老的重要早期信号。
原始纳米抗体Nb139在细胞核内难以找到其目标。但经过35轮进化后，PROTEUS产生了一种具有单一突变（S26P）的版本，使其能够精准识别著名的肿瘤抑制蛋白p53。
在暴露于顺铂（一种导致DNA损伤的化疗药物）的细胞中，改进后的生物传感器在细胞核内发出明亮荧光，形成微小的发光焦点。
“这项研究表明，在哺乳动物细胞内的进化过程中，Nb139的细胞内功能可以进一步提升，”研究人员在《自然通讯》（Nature Communications）中写道。
生物学中的“AI”——针对分子的解决方案
PROTEUS的卓越之处不仅在于它的效果，还在于其工作原理。
正如生成式AI工具探索数百万种可能性以寻找有用答案一样，PROTEUS测试了数百万种前所未见的突变，迅速迭代以找到更好的解决方案。只不过，这一切都发生在真实的活细胞中。尽管这里没有使用机器学习、深度学习或其他任何AI技术，但该系统可以探索通过随机突变生成的数百万种蛋白质变体。正因如此，PROTEUS被比作一种生物学上的“AI”。
该系统使科学家能够找到一个通常需要人类研究人员多年才能解决的问题的答案，甚至有些问题可能永远无法解决。
在一项实验中，他们展示了向细胞中添加莫努匹拉韦（molnupiravir，一种抗病毒药物）可以进一步提高突变率，从而扩大进化搜索空间。
值得一提的是，PROTEUS是开源的。
“我们将这个系统开源给研究社区，”尼利补充道，“我们很期待看到人们如何利用它。我们的目标是增强基因编辑技术，或优化mRNA药物以实现更强大和更特异的效果。”
下一步是什么？
PROTEUS的影响是深远的。如果这项技术能够适应仓鼠细胞（BHK-21）以外的人类细胞类型，它将为研究人员提供组织特异性甚至疾病特异性的进化环境。
这将是基因疗法、癌症治疗、合成生物学和个性化医疗领域的游戏规则改变者。
当然，作为一项强大的技术，PROTEUS也面临着挑战。当前系统的突变偏好某些遗传变化，还需要更多工作来进化出完全无偏倚多样性的生物分子。但团队已经开始通过小分子调整来解决这一问题。
“通过应用PROTEUS，”德内斯表示，“我们希望能够推动新一代酶、分子工具和治疗方法的发展。”
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