Directed Evolution

Directed Evolution is a technique that reproduces Darwinian evolution (mutation and natural selection) in a test tube to artificially improve biomolecules such as proteins and nucleic acids. It attracted worldwide attention as a technology dramatically improving desired functions when it received the 2018 Nobel Prize in Chemistry (Dr. Frances Arnold and others). Basic steps of directed evolution: A cycle for causing “evolution” within a short time in the laboratory. Creating genetic diversity: Introduce random mutations into target genes to produce many mutants (a library).　 Screening and selection: Select only mutants with high desired performance (activity, stability, etc.) from those produced. Amplification and improvement: Repeat the cycle of amplifying selected genes, adding further mutations, and selecting them many times. Differences from conventional “rational design”: Conventional protein engineering has mainly used “rational design,” calculating and predicting protein structures with computers and other tools to modify them. Rational design: Effective when structures are clear, but complex mechanisms are difficult to predict. Directed evolution: Even when structures are unexplained, evolutionary mechanisms can elicit unexpectedly excellent functions. Main applications: It can create new, industrially useful molecules that do not exist in nature. Environment and industry: Improving the efficiency of plastic-degrading enzymes; producing biofuels.　 Medicine/pharmaceuticals: improving antibody drugs for diseases, searching for new drug candidates. Chemistry: developing artificial enzymes promoting reactions previously possible only with chemical catalysts. #list

指向性進化法（Directed Evolution）とは、ダーウィンの進化論（突然変異と自然選択）を試験管内で再現し、タンパク質や核酸などの生体分子を人工的に改良する手法です。目的の機能を飛躍的に向上させる技術として、2018年のノーベル化学賞（フランシス・アーノルド博士ら）を受賞したことで世界的に注目されました。指向性進化法の基本ステップ実験室で短期間のうちに「進化」を起こすためのサイクルです。 遺伝的多様性の作成: 目的の遺伝子にランダムな変異を導入し、大量の変異体（ライブラリ）を作る　 スクリーニングと選択: 作られた変異体の中から、目的の性能（活性、安定性など）が高いものだけを選抜する 増幅と改良: 選抜された遺伝子を増やし、さらに変異を加えて選抜するサイクルを何度も繰り返す従来の「合理的設計」との違い従来のタンパク質工学は、タンパク質の構造をコンピュータ等で計算・予測して改変する「合理的設計」が主流でした。合理的設計: 構造が明確な場合に有効だが、複雑なメカニズムは予測が困難指向性進化法: 構造が未解明でも、進化のメカニズムを利用して予想外の優れた機能を引き出せる主な応用例自然界には存在しない、産業的に有用な新しい分子を作り出すことができます。環境・工業: プラスチックを分解する酵素の効率化、バイオ燃料の生産　 医療・製薬: 疾患に対する抗体医薬の改良、新しい医薬品候補の探索　 化学: これまで化学触媒でしかできなかった反応を促進する人工酵素の開発 #list