RolR 단백질은 글루타민 막대균에서 유래한 것으로 TetR 가족 저지 단백질에 속한다.자연계에서는 그 기능이 전일하고 명확하다:"페놀"(공업생산에 널리 사용되는 화학품) 을 식별하고 결합하여 세균의 유전자표현을 조절하고 세균이 환경중의 페놀에 대응하여 리익을 추구하고 해를 피하도록 돕는다.

이런"전문성"은 과학연구에서 우세일뿐만아니라 한계이기도 하다.과학자들은 RolR이 더 많은 분자를 식별할 수 있도록"학회"할 수 있다면, 산업 폐수의 유해 방향족 물질 검출과 같은 환경 모니터링, 약물 합성 (약물 중간체 농도 실시간 모니터링), 나아가 질병 진단 (질병과 관련된 분자 표지물 식별) 에 응용될 수 있는 저비용, 고감도의 바이오 센서를 개발할 수 있다는 것을 깨달았다.

RolR이 새로운 능력을 얻을 수 있도록, 연구자들은"정향 진화"기술을 사용하여 자연 진화 프로세스를 시뮬레이션하여 기능 최적화를 가속화하고 세 가지 핵심 단계로 나누어 추진합니다.

RolR은"배합체 결합 포켓"을 통해 베이스 간 페놀을 식별하며 포켓의 모양과 아미노산 구성이 결합 할 수있는 분자 종류를 결정합니다.연구진은 주머니 안이나 근처에 있는 핵심 아미노산 19개를 선별했다.'조합 활성 비트 포화 테스트(CAST)'와'반복 포화 유도(ISM)'기술을 통해 이들 아미노산을 정확하게 돌연변이해 대량의 RolR 변형을 만든다(그림 1.A-C).특히 연구원들은 특별히 아미노산 D149를 보존하고 있다. 이는 RolR이 페놀을 식별하는'핵심 손잡이'로 돌연변이로 인해 기능을 완전히 잃게 된다.

돌연변이 후의 변형 라이브러리 중 소수만이 두 가지 조건을 동시에 만족시킬 수 있다: DNA 조정 유전자를 정상적으로 결합할 수 있을 뿐만 아니라 (기초 기능 보장) 새로운 목표 분자에 의해"활성화"(새로운 기능 획득) 될 수 있다.연구자들은 TetA antiporter 단백질을 이용하여"이중 선택"시스템을 설계했습니다 (그림 1D, 그림 2):

이러한 선별 방식은"불합격"변형을 효율적으로 제거하여 최종적으로"기능 완비 + 새로운 분자 응답"의 양질의 후보자를 남길 수 있다.

연구팀은 1세대 변형에 그치지 않았다.그들은 카테킨의 변형을 식별하는 것을 모델로 삼아 돌연변이 최적화를 계속했으며, 결국 다음과 같은 6 가지 새로운 분자를 식별 할 수있는 RolR 변형을 얻었습니다.

바이오센서의 실용성은 대부분 다른 숙주에서 작동할 수 있는지에 달려 있다.연구진은 개조된 RolR 변형을 양조효모 (일종의 상용 진핵생물모델) 에'이식'해 발견했다 (그림 3).

연구 결과 표면에 개조된 RolR은 종 간 적합성을 가지고 있으며, 효모세포 공장의 대사 모니터링과 같은 진핵 생물에서의 응용을 위한 토대를 마련했다.

오로지 페놀을 식별하고 여러가지 분자를 분별할수 있는"다면수"로 되기까지 RolR의 개조로정은 합성생물학의 핵심매력을 보여주었다. 즉 생물분자를 정확하게 조종함으로써 생명에 새로운 기능을 부여하고 인류가 직면한 실제문제를 해결할수 있다.이 방향성 진화 프레임워크는 RolR뿐만 아니라 다른 aTF와 배합체 결합 단백질에도 보급되어 더 많은"정제화"생물 센서 개발에 문을 열었다.아마도 머지않아 이런 미소한 단백질센서가 우리의 생활에 들어가 환경, 건강과 공업생산의"스텔스수호자"로 될것이다.