进化是生物学强大的工程方法。它通过在细胞内产生大量的 DNA、RNA 和蛋白质变体，并让自然"选择"表现最佳的生物体来发挥作用。早期的农民开始通过干扰自然选择，只让最高产的牲畜和作物交配，从而利用进化。

在实验室中，研究人员已经开发出蛋白质定向进化的方法，特别是酶和抗体，这些蛋白质用于家用洗涤剂、医药和工业。

现有实验室方法的问题在于，它们施加了恒定的选择压力，这意味着它们倾向于产生始终高度活跃的蛋白质，而生物学并非如此运作：信号蛋白、蛋白质"开关"和蛋白质"逻辑门"会随时间改变状态。

例如，一种蛋白质可能需要短暂开启，然后关闭，然后再次开启。如果定向进化方法只针对一种状态进行选择，蛋白质的其他重要状态可能会失去功能或无法正常切换，这可能在生物学上是有害的。然而，定向进化方法一直难以产生动态和多状态的蛋白质行为。

定向进化黑暗中的光

这项工作发表在《细胞》杂志上，使定向进化更接近细胞的实际运作方式，其中时序和切换与强度同样重要。

该团队在广泛用于酿造啤酒和实验室研究的模式生物——酿酒酵母中构建了他们的系统。他们重新连接了酵母的细胞周期，使其进展依赖于待进化的蛋白质，并在关闭和开启状态之间干净地切换。

关键在于将蛋白质的输出信号与一个在某一阶段必不可少但在另一阶段却有剧毒的细胞周期调节因子联系起来。如果目标蛋白质开启或关闭时间过长，酵母细胞就会停滞或死亡。只有蛋白质正确振荡的细胞才能继续分裂。

研究人员利用光进行精确的外部控制。通过使用光遗传学——一种用光开启和关闭基因的技术——研究人员可以控制目标蛋白质，使其通过定时光脉冲翻转状态。

每个大约 90 分钟的细胞周期都充当了一个快速的及格/不及格测试，检验蛋白质是否在正确时刻切换。通过这种方式，这种光进化方法有利于具有更好动力学的变体，无需手动筛选或反复干预。

新变体与新颜色

利用光进化，该团队进化了几类蛋白质。首先，他们改进了一种广泛使用的光控转录因子。他们获得了 19 个新变体，这些变体要么对光更敏感，要么在黑暗中活性更低，要么对绿光而非仅对蓝光有反应。直到现在，基于这些蛋白质吸收光的方式，解锁对除蓝光以外的任何较暖色光的反应被广泛认为极难通过工程实现。

该团队还进化了一个红光光遗传系统，使其在酵母中不再需要补充化学辅因子。进化发现了一个突变，使一个正常的酵母运输蛋白失活，这意外地允许系统利用细胞内已经存在的光敏分子，使其在实验中使用起来更加容易。

最后，研究表明光进化并不局限于感光蛋白。他们进化了一个行为类似于单蛋白计算机的转录因子，它仅在两个不同输入（一个光信号和一个化学信号）同时存在时才激活基因。

动态蛋白质功能是生物学中感知、决策和调控的核心，从细胞如何响应压力到它们如何决定分裂。通过使这些行为在活细胞内持续可进化，光进化为合成生物学、生物技术和基础研究开辟了新的可能性。

这项研究可以帮助科学家构建更智能的细胞回路，开发可以用不同颜色光独立控制的光遗传系统，并探索复杂的蛋白质行为如何通过进化出现。

由中国科学技术大学Wang Yucai教授、Zhu Shu教授和Jiang Wei教授领导的研究团队于3月19日在《科学》杂志上发表了题为"Commensal-driven serotonin production modulates in vivo delivery of synthetic and viral vectors"的研究论文。

长期存在的快速清除挑战

药物递送载体是现代生物医学领域的关键基础。它们能有效解决化疗药物全身毒性高、核酸药物稳定性差、脂溶性药物生物利用度低等问题，从而推动肿瘤靶向化疗、mRNA疫苗、基因治疗等疗法的临床应用。

然而，递送载体在给药后容易被机体快速清除，导致靶组织药物浓度极低。例如，现有纳米药物对肿瘤的有效递送剂量不足总剂量的0.7%，严重制约了治疗效果。此外，学术界对此问题缺乏安全且普适的干预方法。

通过靶向肠道细菌提升递送效率

通过系统研究，研究团队发现，在清除小鼠肠道共生菌后，多种递送载体的肿瘤递送效率均显著提高。这种增强的递送效率可直接转化为肿瘤化疗、溶瘤病毒疗法和蛋白替代疗法等抗肿瘤方法的治疗效果提升。此外，多器官基因递送和体细胞编辑的效率也大大提高，这主要归因于载体的血液循环能力显著改善。

为了揭示其潜在机制，团队开发了基于活体成像的单细胞形态和载体相互作用行为定量分析系统。该系统证实，肝脏Kupffer细胞是肠道细菌调控药物递送的终端靶细胞，而清除肠道细菌可导致其对递送载体的摄取能力显著下降，最大降幅达70%。

血清素作为肠-肝信使

进一步的研究阐明，肠道上皮细胞是感应细菌信号和调节肝脏免疫的核心枢纽，而肠道内分泌系统分泌的血清素是连接肠道细菌和肝脏免疫系统的关键信使分子。

本研究首次勾勒出完整的肠-肝免疫调节轴：肠道共生菌激活肠道上皮内分泌系统，促进血清素分泌；血清素随后激活肝脏Kupffer细胞，增强其对递送载体的吞噬能力，从而削弱载体循环，降低递送效率。

实验验证，干预这一血清素通路或通过饮食调节限制色氨酸摄入，均可显著抑制肝脏Kupffer细胞对递送载体的清除活性。这种干预使肿瘤递送效率提高2-3倍，靶组织基因编辑效率提高10-15倍，在多种治疗模型中实现了显著的治疗效果提升。

绝大多数人畜共患病毒在感染人类之前，并未表现出任何特殊的进化适应痕迹，其选择压力与在动物宿主中常规循环时完全一致。

加州大学圣地亚哥分校的研究团队在《Cell》发表的一项重磅研究，彻底挑战了一个长期主导病毒学领域的核心假设——动物病毒必须先经过复杂的进化适应，才能跨物种溢出到人类并引发流行病或大流行。

通过整合系统发育分析与全基因组测序技术，研究人员对甲型流感病毒、埃博拉病毒、马尔堡病毒、猴痘病毒、SARS-CoV 以及 SARS-CoV-2 等多个病毒家族的流行毒株展开系统性研究，最终得出颠覆性结论：绝大多数人畜共患病毒在感染人类之前，并未表现出任何特殊的进化适应痕迹，其选择压力与在动物宿主中常规循环时完全一致。

“这项研究直接回应了围绕 COVID-19 起源的持续争议。” 资深作者、加州大学圣地亚哥医学院医学教授 Joel Wertheim 博士强调，“从进化角度来看，我们没有发现任何证据表明 SARS-CoV-2 在出现前曾经过实验室选择，或是在中间宿主中经历了长期进化。这种‘适应信号缺失’的模式，恰恰是自然溢出事件的典型特征，也为那些声称病毒源自实验室操作的理论再添一枚棺材钉。”

长期以来，主流的人畜共患病模型普遍认为，病毒要实现人与人之间的持续传播，必须先在动物宿主、中间宿主中，或是在最初的零星人类感染中积累适应性突变，比如优化受体结合能力、提升在人类细胞中的复制效率等。

为验证这一假设，研究团队搭建了基于RELAX 进化分析框架的基因组检测平台，通过量化病毒基因组中非同义突变（dN）与同义突变（dS）的比值（ω 值），精准判断自然选择强度的变化：ω<1 代表净化选择（剔除有害突变），ω>1 代表正向选择（保留有利突变），ω≈1 则代表中性进化。更重要的是，研究团队还扩展了这一框架，使其能够应对病毒重组、重配等可能干扰选择信号推断的复杂情况，大幅提升了分析的准确性。

研究人员特别聚焦于病毒 “溢出前” 的进化阶段，即从动物宿主毒株到人类流行毒株的共同祖先（MRCA）之间的进化分支，任何显著的预适应都应在这段分支上留下可检测的选择信号。然而，在对多种病毒的分析中，他们发现了惊人的一致性：无论是 2009 年甲型 H1N1 流感病毒、2013-2016 年西非埃博拉病毒、2004-2005 年安哥拉马尔堡病毒，还是 2022 年猴痘病毒疫情的毒株，其溢出前的选择模式与在动物宿主中几乎没有差异，不存在所谓的 “预适应” 进化信号。唯一的例外是 SARS-CoV，研究发现它在果子狸这一中间宿主中传播时，选择压力出现了显著放松（K=0.65，p<0.01），但这种适应并非发生在蝙蝠宿主中，而是跨物种进入中间宿主后的短期调整。

与溢出前的 “平静” 形成鲜明对比的是，所有病毒在实现人与人之间的持续传播后，均迅速出现了可检测的选择变化：2009 年 H1N1 流感病毒在人类中传播 1 年内，选择压力显著放松（K=0.82，p<0.01）；西非埃博拉病毒在持续人际传播 18 个月后，选择模式发生明显改变（K=0.41，p<0.01）；SARS-CoV-2 在人类中传播仅 3 个月，就出现了与蝙蝠宿主中截然不同的选择信号（K=0.69，p<0.01）。这些结果清晰表明，病毒对人类的 “适应” 并非发生在溢出前，而是在感染人类后，为应对人类免疫系统、细胞环境等新压力而启动的 “即时进化”。

“从流行病学视角来看，我们的发现颠覆了‘大流行病毒在到达人类前就已进化得特殊’的固有认知。”Wertheim 解释道，“许多动物病毒本身就具备感染人类并传播的基本能力，无需在动物体内进行罕见且精密的适应性改造。真正关键的因素，是人类与各类动物病毒的接触频率和强度——当足够多的病毒机会性地进入人类群体，其中自然会有一部分因偶然具备合适的传播特性，而引发大规模疫情。”

为验证研究方法的可靠性，研究团队以 “实验室传代病毒” 为阳性对照，发现这类病毒会呈现出特征性的选择信号——选择压力显著放松（ω 值更接近 1），这与自然传播的病毒形成鲜明区别。这一对照实验在解析 1977 年甲型 H1N1 流感病毒的 “复活之谜” 时发挥了关键作用。历史记录显示，该病毒在消失 20 年后突然重现，且基因序列与 1950 年代的毒株高度相似，自然进化难以解释这一现象。研究团队的分析证实，1977 年 H1N1 毒株的选择模式与实验室传代病毒、减毒活疫苗毒株完全一致（K=0.71，p=0.043），且具备温度敏感性（在低于人体体温的环境中复制更高效）——这正是实验室通过传代制备减毒疫苗的典型特征。“1977 年的流感案例比 COVID-19 的发现更具说服力。”Wertheim 指出，“我们的结果为长期以来的猜测提供了分子证据：这次大流行很可能源自一次实验室事故，大概率与失败的疫苗试验相关。”

值得注意的是，研究团队对 SARS-CoV-2 的分析还揭示了一个关键细节：尽管有证据表明它可能曾在中间宿主中短暂传播，但传播时间极短，并未留下可检测的适应信号（K=1.1，p=0.23）。这意味着，即便存在中间宿主，其在病毒跨物种溢出过程中也未起到 “进化跳板” 的作用，病毒从动物到人类的传播更可能是直接且偶然的。

这项研究的核心价值，不仅在于厘清了病毒跨物种传播的进化规律，更在于建立了一套 “自然溢出 vs 实验室操作” 的基因组鉴别基准。“这并不意味着实验室事故不会发生。”Wertheim 强调，“但如果一种病毒在爆发前曾在实验室中广泛传代，其进化记录中必然会留下特征性的选择信号，而在我们研究过的几乎所有大流行病毒中，这种信号都完全不存在。”

展望未来，这套精准的基因组分析框架有望成为疫情溯源、病毒监测和大流行防范的核心工具。通过快速判断新发病毒的选择模式，科学家可以在疫情早期就区分其源自自然溢出还是人工干预，从而更高效地制定防控策略。“我们的目标不仅仅是理解过去，更是为未来做好充分准备。”Wertheim 总结道，“通过阐明大流行的真正起源机制，我们可以将公共卫生资源集中到最关键的领域——加强动物宿主监测、减少人类与野生动物的密切接触、提升早期预警能力，从源头阻断病毒的自然溢出。”