洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员开发出一种以光为核心的蛋白质定向进化策略，可在活细胞内对蛋白质施加随时间变化的选择压力，从而获得能够在开启与关闭等多种状态间按计划切换、对信号作出响应，甚至具备简单“计算”能力的蛋白质。相关成果已发表于《Cell》。

研究团队指出，实验室常用的定向进化通常施加恒定选择压力，往往更容易筛选出持续高活性的蛋白质。然而在真实生物系统中，许多信号蛋白、蛋白质“开关”以及可整合多输入并作出“是/否”决策的蛋白质“逻辑门”，其功能依赖于随时间变化的动态状态切换。若进化过程只偏向某一固定状态，蛋白质的其他关键状态可能退化，甚至导致细胞停滞或死亡，因此动态、多状态行为长期以来较难通过传统定向进化获得。

为此，EPFL生物系统物理实验室Sahand Jamal Rahi团队提出“光进化”（optovolution）方法：在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中搭建筛选系统，并重新设计细胞周期，使其进程依赖于待进化蛋白质的输出，从而让蛋白质在“关闭—开启”之间的切换成为细胞能否继续分裂的关键条件。

该系统的核心设计是将目标蛋白质的输出信号与细胞周期调控因子相连接：该因子在细胞周期的某一阶段必不可少，但在另一阶段具有毒性。研究人员表示，如果目标蛋白质长时间保持开启或关闭，酵母细胞将出现停滞或死亡；只有能够在正确时间窗口内实现振荡式切换的变体，才能通过每个约90分钟的细胞周期并持续增殖。

在外部控制方面，团队采用光遗传学手段，通过定时光脉冲精确驱动目标蛋白质在不同状态间切换。研究人员将每个细胞周期视为一次快速的“通过—失败”测试，使系统在无需人工逐一筛选或反复干预的情况下，自动富集动态表现更符合设定规则的蛋白质变体。

在应用展示中，团队首先对一种常用光控转录因子进行进化，获得19个新变体。这些变体表现为对光更敏感、在黑暗条件下活性更低，或可响应绿色光而不仅限于蓝光。研究人员称，基于相关蛋白的光吸收特性，实现对较暖色光（相较蓝光）的响应此前被认为难度很高。

此外，团队还对一种红光光遗传系统进行进化，使其在酵母中无需补充化学辅助因子即可工作。进化过程中出现的一处突变禁用了正常酵母的转运蛋白，研究人员称这一变化意外使系统能够利用细胞内已有的光敏分子，从而简化了实验使用。

研究还显示，“光进化”并不局限于光感蛋白。团队进化出一种转录因子，使其表现为“单蛋白计算机”：仅当两种不同输入同时存在——一个光信号与一个化学信号——才会激活基因表达。

研究人员表示，动态蛋白功能是细胞感知、决策与控制的关键环节，涉及细胞如何应对压力以及如何决定分裂等过程。通过在活细胞内持续进化这类动态行为，“光进化”为合成生物学、生物技术与基础研究提供了新的工具路径，包括构建更复杂的细胞电路、开发可用不同颜色光独立控制的光遗传系统，以及探索复杂蛋白行为如何在进化过程中形成。