合成生物学研究就像“造汽车”，通过将各类生物“零部件”设计与组装来构建人工生物系统。生物元件作为“汽车”的基本“零部件”，它的数量和功能制约着合成生物学的发展。针对合成生物学元件匮乏这一关键问题，定向进化能够利用进化这个“上帝之手”的力量对已有生物元件进行改造和优化，使研究者获得所需的“定制化功能”，是合成生物学领域的关键核心平台性技术。

中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立与傅雄飞团队基于对微生物在空间上生长迁徙的定量理解，开发了一种连续定向进化系统（简称SPACE），形成了简便、高效、大规模定制生物元件的平台性能力。SPACE系统利用每个普通实验室都有的小小“平板”，将建库和筛选生物元件两个步骤结合在一起，从而实现实验装置的高度简化，成百上千的定向进化实验可以平行进行，一天时间就可以完成几十轮的进化。上述成果于9月21日在国际学术期刊《Molecular Systems Biology》上发表。

传统的定向进化方法一般分为建库和筛选两个步骤，多轮进化往往需要进行大量的重复操作，耗费人力物力。2011年美国哈佛大学开发了噬菌体辅助连续进化系统（简称PACE），是定向进化领域一个重大突破。

空间噬菌体辅助连续进化系统（SPACE系统）的应用展望示意图 （来源：研究团队供图）

通过借鉴PACE系统中的相关设计，研究团队将空间尺度引入到了连续进化系统中，建立了空间噬菌体辅助连续进化（Spatial phage-assisted continuous evolution, SPACE）系统。该系统不仅大大提升了系统操作的简便性及元件突变体的筛选效率，为连续定向进化开辟创新路径，还具备了合成生物学领域内元件开发优化的巨大平台型技术优势，将为工业、农业、医学等各方面提供突破性技术助力。

SPACE系统在PACE系统基础上，利用细菌-噬菌体共迁移实验体系，使原本没有运动能力的噬菌体能够被处于空间扩张运动过程中的细菌携带，并广泛传播。该共迁移实验体系与连续培养系统的相似性，将原本体积庞大且需要较复杂控制的液体连续培养装置替换成了普通生物实验室中最为常见的软琼脂平板。

“我们首先基于经典的传染病模型建立了空间扩张系统的宿主感染模型，定量解析了细菌-噬菌体共迁移实验体系的进化动力学规律，发现了不同强度的噬菌体突变体能够在空间上出现自发的分离。基于这个定量发现，我们设计开发了SPACE系统。”论文通讯作者傅雄飞介绍道。

在已有连续定向进化方法的基础上，该项研究通过实验与模型模拟相结合的方式定量揭示了宿主细菌的空间迁移运动能力对噬菌体进化的作用规律，在此基础上利用空间维度发展了蛋白质等生物分子的新型连续定向进化方法，是定量合成生物学全新研究范式的重要范例。

当前，可用的生物元件匮乏成为了合成生物学研究中亟待解决的关键问题，SPACE系统可以在普通实验室中实现生物元件的大规模平行进化改造，有望为合成生物学在化工、农业、医疗等领域的应用提供丰富的元件库储备。同时，细菌空间迁移运动对噬菌体进化的作用规律，也将对于研究更高等的生物，如昆虫、鸟类的迁徙对其携带的可能影响人类健康的病毒如何进化这类生态学理论或调查研究，提供参考和示范。

（原标题《深圳先进院开发出合成生物学关键核心平台性技术》）