所有的生物都需要蛋白質，蛋白質這個巨大的分子家族，是大自然根據基因中的藍圖定制而來的。

通過自然的進化過程，DNA突變會產生新的或更有效的蛋白質。人類已經發現了這些分子有那么多的替代用途——作為食品、工業酶、抗癌藥物，因此，科學家們渴望更好地了解如何設計用于特定用途的蛋白質變體。

現在，斯坦福大學的工程師們發明了一種技術，可以顯著加速為了這一目的的蛋白質進化。這項技術，發表在*近的《Nature Chemical Biology》，可允許研究人員測試一個給定蛋白質的上百萬個變體，為某些工作選擇*佳的變體，并確定產生這一變體的DNA序列。

生物工程學教授Jennifer Cochran和斯坦福大學光子學研究中心主任Thomas Baer是本文共同通訊作者，Cochran指出：“進化，適者生存，發生在短短的幾千年時間里，但是，我們現在可以在幾小時或幾天的時間里指導蛋白質的進化。”

Baer說：“這是一種實用的、通用的系統，具有很廣泛的應用，研究人員將會發現它很容易使用。”

通過將Cochran的蛋白質工程技術與Baer在激光儀器方面的專長相結合，該研究團隊創建了一種工具，可以在幾小時的時間內檢測數百萬個蛋白變體。

加州理工學院化學工程學院教授Frances Arnold沒有參與這項研究，但他指出：“這項技術讓人印象深刻，我期待著這項技術得到更廣泛的應用。”

產生一百萬個突變體

研究人員將他們的工具命名為µSCALE（Single Cell Analysis and Laser Extraction）。

“µ”代表保留蛋白質樣品的微細管玻璃片。玻片的尺寸大約有一個便士的大小和厚度，但在那個空間里，有一百萬個毛細管像吸管一樣排列，上面和底部都打開了。

µSCALE的力量在于，使研究人員能夠立足于當前的生化技術，同時運行一百萬個蛋白質實驗，然后提取和進一步分析*有希望的結果。

研究人員**采用一個稱為“誘變”的過程，在特定基因中產生隨機變異。這些突變被插入到幾批的酵母或細菌細胞中，這些細胞表達改變了的基因，并產生數以百萬計的隨機蛋白變體。

µSCALE用戶將數百萬個不透明的小玻璃珠混合到含有數百萬個酵母或細菌的樣本中，并將混合物涂抹到一個微細管玻片上。少量的液體滴入每一根管子中，攜帶單個細胞。表面張力會困住每個毛細管中的液體和細胞。

具有這百萬個酵母或細菌的玻片，以及它們產生的蛋白質變體，被插入到µSCALE裝置中。一個軟件控制著顯微鏡觀察到每一個毛細管，并獲取發生在其中的生化反應的圖像。

一旦µSCALE用戶確定了感興趣的毛細管，研究人員就可以用Baer設計的一種巧妙的方法，指導激光提取這根毛細管的內容物，而不破壞它鄰近的毛細管。

Baer說：“珠子使我們能夠進行提取。激光提供能量來移動珠子，這打破了表面張力，并釋放出毛細管中的樣品。”

因此，µSCALE將單根毛細管的內容物放到一個集熱板上，在那里，分離的細胞的DNA可以進行測序，從而識別引起感興趣蛋白質的基因變異。

Cochran實驗室的博士后Bob Chen編制了一個軟件，來檢測試管內感興趣的蛋白質活動，他表示：“µSCALE的一個獨到之處在于，它能讓研究人員從成百上千個其他細胞中，快速分離出單個想得到的細胞。”

研究人員通過µSCALE收集和再加工了有用的蛋白質變體，以進一步發展和優化蛋白。

Cochran說：“這是一種令人興奮的新工具，回答關于蛋白質的重要問題，把µSCALE比作基因分析的高通量工具，可使研究人員能夠解開人類疾病背后的生物學相關的關鍵特征。”

成因與證明

這個項目始于五年前，當時Baer和合作者Ivan Dimov開發了**個儀器。他們展示了如何在微細管陣列中確定細胞類型，并用玻璃微珠和一束聚焦的激光，提取單個毛細管的內容物。

大約三年前，Cochran和Baer聯手開發了µSCALE用于蛋白質工程，并且該團隊設計了三個實驗來展示µSCALE的實用性和靈活性。

在一個實驗中，研究人員篩選了酵母細胞中產生的一個蛋白質庫，以選擇*緊密結合腫瘤靶點的抗體。具有高靶向結合親和力的抗體，已知可有效地對抗癌癥。

在另一個例子中，他們設計了一種亮橙色的熒光蛋白傳感器。使用µSCALE，他們比以前的方法快了近10倍。這種生物傳感器，在各種各樣的生物學實驗中通常被用作標記。

三分之一實驗是與斯坦福大學生物化學教授Daniel Herschlag一起完成的，用µSCALE來改進一個模型酶。Herschlag說：“該系統將允許我們探索酶之間的進化和功能關系，指導新酶的設計，可用以進行新的有益反應。”