定向演化

定向演化（Directed evolution）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理鄭杏倩

定向演化（directed evolution）是改造蛋白質分子的一種有效策略，利用在活體外（in vitro）進行實驗，將帶有目標蛋白質的基因序列進行類似天擇的選汰作用（natural selection），使之獲得在自然天擇狀況下無法得到、且具有特殊功能的基因產物。此種操作技術主要應用於蛋白質工程（protein engineering）的實驗中。

實驗操作上，先建立起一個經過隨機（randomized）突變或是重新組合的基因庫（library），接著篩選（screen/selection）出可以轉錄/轉譯出所需要功能的蛋白質之基因序列。詳細的操作方式主要有以下三個步驟：

1. 多樣化（diversification）：利用error-prone PCR或是DNA shuffling…等方式將目標蛋白質的基因序列進行隨機的突變（點突變point mutation、插入insertion或是刪除deletion）或是重組（recombination），得到一個具有大量且多樣性高的基因庫。
2. 選汰（selection）：接著，將上述的基因庫中的突變體（mutant/variant）進行蛋白質表達。篩選的方式很多樣化，目的是要篩選出具有特定功能之基因序列，並同時刪除其餘的序列。
3. 放大（amplification）：將目標突變體基因放大並進行複製，並對該突變體進行研究。

以上三個步驟為一個單位，上一輪選出來的突變體被拿來進行下一輪實驗的DNA模板（template），經由重複幾輪的實驗後，得到具有良好功能基因。此技術常應用在protein-ligand binding、提高蛋白質穩定性以及修改酵素結構等研究領域，並且應用在癌症藥物開發、生質燃料（biofuel）轉換等議題上。