Protein RolR có nguồn gốc từ Corynebacteria glutamate và thuộc họ protein ức chế TetR. Trong tự nhiên, chức năng của nó là duy nhất và rõ ràng: bằng cách xác định và kết hợp "resorcinol" (hóa chất được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp), điều chỉnh biểu hiện gen của vi khuẩn, giúp vi khuẩn đối phó với resorcinol trong môi trường của chúng và tránh những tác hại.

Tính chuyên nhất "này vừa là lợi thế vừa là giới hạn trong nghiên cứu khoa học. Các nhà khoa học nhận ra rằng nếu RolR có thể học cách xác định nhiều phân tử hơn, nó có thể phát triển các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, chi phí thấp để giám sát môi trường (như phát hiện các chất thơm có hại trong nước thải công nghiệp), tổng hợp thuốc (theo dõi thời gian thực nồng độ trung gian của thuốc) và thậm chí chẩn đoán bệnh (xác định các dấu hiệu phân tử liên quan đến bệnh).

Để cho phép RolR có được những khả năng mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ "tiến hóa có định hướng" mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên để tăng tốc tối ưu hóa chức năng, tiến hành theo ba bước quan trọng:

RolR xác định resorcinol cơ chất thông qua "túi liên kết phối tử", hình dạng và thành phần axit amin của túi xác định loại phân tử mà nó có thể liên kết. Các nhà nghiên cứu đã sàng lọc 19 axit amin quan trọng nằm trong hoặc gần túi của bạn. Các axit amin này được đột biến chính xác để tạo ra các biến thể RolR khổng lồ thông qua các kỹ thuật "Thử nghiệm bão hòa vị trí hoạt động kết hợp (CAST)" và "Đột biến bão hòa lặp lại (ISM)" (Hình 1.A-C). Đáng chú ý, các nhà nghiên cứu đã cố tình giữ lại axit amin D149 - một "tay nắm quan trọng" để RolR xác định resorcinol, và đột biến khiến nó mất chức năng hoàn toàn.

Chỉ có một số ít trong số các biến thể sau đột biến đáp ứng hai điều kiện cùng một lúc: cả hai đều có thể liên kết bình thường với các gen điều hòa DNA (đảm bảo chức năng cơ bản) và được "kích hoạt" bởi các phân tử mục tiêu mới (có được chức năng mới). Các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống "lựa chọn kép" bằng cách sử dụng protein chống TetA (Hình 1D, Hình 2):

Phương pháp sàng lọc này có thể loại bỏ hiệu quả các biến thể "không đạt tiêu chuẩn", cuối cùng để lại các ứng cử viên chất lượng cho "đầy đủ chức năng+phản ứng phân tử mới".

Nhóm nghiên cứu không dừng lại ở biến thể thế hệ đầu tiên. Sử dụng các biến thể để xác định catechol làm khuôn mẫu, họ tiếp tục tối ưu hóa đột biến và cuối cùng thu được các biến thể RolR có thể xác định sáu phân tử mới, bao gồm:

Tiện ích của cảm biến sinh học phụ thuộc rất nhiều vào việc nó có thể hoạt động trong các vật chủ khác nhau hay không. Nhóm nghiên cứu đã "cấy ghép" biến thể RolR biến đổi vào Saccharomyces cerevisiae (một mô hình sinh học nhân chuẩn thường được sử dụng) và phát hiện ra rằng:

Bề mặt của kết quả nghiên cứu, RolR biến đổi có khả năng ứng dụng đa loài, tạo tiền đề cho các ứng dụng của nó trong sinh vật nhân chuẩn, chẳng hạn như giám sát trao đổi chất trong các nhà máy tế bào nấm men.

Từ việc xác định resorcinophen một cách chuyên nghiệp đến việc trở thành "người đa diện" có thể phân biệt nhiều loại phân tử, quá trình cải tạo của RolR đã cho thấy sức hấp dẫn cốt lõi của sinh học tổng hợp - thông qua việc điều khiển chính xác các phân tử sinh học, có thể mang lại cho cuộc sống một chức năng hoàn toàn mới và giải quyết các vấn đề thực tế mà con người phải đối mặt. Bộ khung tiến hóa định hướng này không chỉ áp dụng cho RolR mà còn mở rộng cho các protein gắn kết aTF và ligand khác, mở ra cánh cửa cho sự phát triển của nhiều cảm biến sinh học "tùy chỉnh". Có lẽ trong tương lai gần, những cảm biến protein nhỏ bé này sẽ đi vào cuộc sống của chúng ta và trở thành "người bảo vệ vô hình" cho môi trường, sức khỏe và sản xuất công nghiệp.