定向演化（Directed evolution）

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。

定向演化不僅在工業、醫學方面對蛋白質的改變具有重要的意義，同時也非常適合於基礎理論的研究。分析突變體，將可以對蛋白質的結構和功能間的關係提供新的工具。在自然的狀況下，蛋白質序列的多型性（polymorphism）通常是來自隨機的遺傳漂變（genetic drift）而非選汰的結果（亦即並非屬於功能性的適應）。從已經適應不同環境條件的物種進行蛋白質序列分析，發現大部分的變異都與功能表現沒有太大的關係，僅有一小部分是與特定功能差異有關。而大量的中性突變會干擾研究人員辨別蛋白質分子的規律。然而，在實驗中所使用的定向演化策略，其利用目的取向的挑選方式，可以很清楚的得知其變異所造成的蛋白質功能改變。Arnold研究團隊利用此研究方式成功的區分基因中的功能性和非功能性突變，並透過定向演化研究蛋白質的結構和功能的關係，此可以為蛋白質的設計提供理論依據。

參考資料：
郭鳳娟。2004。蛋白質的定向進化及應用。中國生化藥物雜誌25（2）：125-126。Reviews: Directed evolution/Library construction. http://openwetware.org/wiki/Reviews:Directed_evolution/Library_construction

Directed evolution. http://en.wikipedia.org/wiki/Directed_evolution