監督された進化
Directed evolution (DE)は、工業用または医療用の酵素を生産するために使用される方法です。
基本的な考え方は、遺伝子を変異体のライブラリを作成するために、突然変異の繰り返しのラウンドを介して、遺伝子を置くことです。選択は、所望の機能を持つ遺伝子を分離します。それらは次のラウンドのためのテンプレートとなります。
これは、インビボ（細菌または酵母の生きた細胞内）、またはインビトロ（溶液中の遊離またはマイクロドロップレット）で行うことができる。
より多くの変異体をテストすることで、目的の特性を持つ変異体を見つける可能性が高まります。
生体内での進化の間、各細胞（通常は細菌や酵母）は、バリアントライブラリーの異なるメンバーを含むプラスミドで形質転換されます。興味のある遺伝子だけが細胞間で異なり、他のすべての遺伝子は同じに保たれます。
細胞は、その機能を試験することができる細胞質または表面のいずれかでタンパク質を発現する。この形式は、進化したタンパク質またはＲＮＡを生体内で使用する場合に有用な、細胞環境で特性を選択できるという利点を有する。
細胞なしで行う場合、DEは、インビトロ転写翻訳を使用して、溶液中または人工微小液滴内でタンパク質またはRNAを遊離させる。これは、より多くの条件（例えば、温度、溶媒）を可能にするという利点があります。細胞に毒性のあるであろうタンパク質を発現させることができる。さらに、インビトロ進化実験では、ライブラリＤＮＡを細胞に挿入する必要がないため、はるかに大きなライブラリ（最大１０１５個）を生成することができる。それは、しばしば、行うことができることを制限する。
自然進化と比較した有向進化の例。内側のサイクルは有向進化サイクルの3つの段階を示し、括弧内は模倣された自然過程を示している。外側の円は典型的な実験のステップを示している。赤色の記号は機能的な変異体を示し、淡い記号は機能が低下した変異体を示す。
遺伝性の確保
機能性タンパク質が単離されると、その遺伝子も単離されている必要があるため、遺伝子型とフェノタイプのリンクが必要となります。
これは、mRNA遺伝子がプロマイシンによって翻訳の最後にタンパク質に連結されている共有結合的なものであってもよい。
あるいは、タンパク質とその遺伝子を一緒に、あるいはエマルジョン液滴中に保持することもできる。単離された遺伝子配列は、次いで、ＰＣＲまたは形質転換された宿主細菌によって増殖される。単一の最良の配列、または配列のプールは、次のラウンドの突然変異誘発のためのテンプレートとして使用することができます。多様化-選択-増幅のサイクルが繰り返されることにより、酵素のバリエーションが選択プロセスに適応したものとなる。
発現されたタンパク質は、その遺伝子（mRNAのように）と共有結合することができます（左）、またはそれと同じコンパートメントに置くことができます（右）。 いずれにしても、タンパク質をコードする遺伝子は単離されます。
質問と回答
Q: ディレクティッド・エボリューションとは何ですか?
A: 有向進化（DE）とは、産業用・医療用酵素の生産に用いられる手法です。自然淘汰を模倣したタンパク質工学の一種です。
Q: 有向進化はどのように行われるのですか?
A: 有向進化は、遺伝子を繰り返し変異させ、変異体のライブラリーを作ることによって行われます。そして、淘汰の結果、目的の機能を持つ遺伝子が分離され、それが次のラウンドのテンプレートとして使われる。
Q:有向進化はどこでできるのですか?
A:定向進化は、in vivo（バクテリア、酵母などの生きた細胞内）、in vitro（溶液やマイクロドロップレット中の自由な状態）で行うことができる。
Q:定向進化をin vivoで行うメリットは何ですか?
A:生体内で定向進化を行うことで、細胞内での性質を選択できるという利点があり、進化したタンパク質やRNAを生体内で利用する場合に有効である。
Q: 試験管内で有向進化させる利点は何ですか?
A: 試験管内で定向進化を行うと、温度や溶媒などの条件を多く設定でき、細胞にとって毒性のあるタンパク質も発現させることができるという利点があります。さらに、DNAを細胞に挿入する必要がないため、はるかに大きなライブラリーを作成することができます。
Q: In vitroの実験で何が制限されるのですか?
A: In vitroの実験でできることの大きさの限界は、多くの場合、どれだけのDNAを細胞に挿入する必要があるかによって決まります。
