北京時(shí)間10月3日晚17: 30，2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉。來(lái)自加州理工學(xué)院的研究員弗朗西絲·阿諾德先生和美國(guó)密蘇里大學(xué)的研究員喬治·P·史密斯先生與英國(guó)劍橋大學(xué)的研究員格雷戈里·溫特爵士一起獲得了這一獎(jiǎng)項(xiàng)；其中，弗朗西斯·阿諾德因研究酶的定向進(jìn)化而分享了一半的獎(jiǎng)金。喬治·史密斯和格雷戈里·溫特因在肽和抗體噬菌體展示技術(shù)方面的研究而分享了另一半獎(jiǎng)金。

如今，定向進(jìn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)的酶可以用來(lái)生產(chǎn)生物燃料和藥物，而噬菌體展示技術(shù)生產(chǎn)的抗體有望抵抗多種疾病，包括自身免疫性疾病，甚至轉(zhuǎn)移性癌癥。我們生活在一個(gè)驅(qū)動(dòng)力很強(qiáng)的星球上，那就是進(jìn)化。自從37億年前第一顆生命的種子出現(xiàn)以來(lái)，地球上幾乎每一個(gè)縫隙里都會(huì)有適應(yīng)環(huán)境的生物，比如光禿禿山坡上的地衣，溫泉里的古細(xì)菌，沙漠里有鱗的爬行動(dòng)物，深海里發(fā)光的水母等等。

在學(xué)校，我們會(huì)在生物課本上了解這些生物。地球上存在生命是因?yàn)檫M(jìn)化經(jīng)常解決許多復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題。所有的生物都會(huì)從自己的生存環(huán)境中提取物質(zhì)和能量，并利用它們來(lái)構(gòu)建自己身體所需的獨(dú)特化學(xué)成分。魚(yú)可以在極地海洋中游泳，因?yàn)樗鼈兊难汉图∪庵泻锌箖龅鞍?，可以附著在巖石上，幫助產(chǎn)生水下分子膠，但這只是無(wú)數(shù)例子中的一個(gè)。

生物化學(xué)的光輝在于它融入到身體的基因中，使這種光輝得以繼承和發(fā)展；基因的微小隨機(jī)變化會(huì)改變其化學(xué)特性，有時(shí)產(chǎn)生較弱的生物體，有時(shí)產(chǎn)生較健壯的生物體。隨著新化學(xué)學(xué)科的不斷發(fā)展，地球上的生命變得越來(lái)越復(fù)雜。以上三位研究人員獲得2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，是因?yàn)樗麄兺ㄟ^(guò)定向進(jìn)化使化學(xué)和新藥開(kāi)發(fā)發(fā)生了革命性的變化。先說(shuō)酶工程之星弗朗西斯。阿諾德，開(kāi)始說(shuō)話。

圖1:科學(xué)家利用進(jìn)化研究并在實(shí)驗(yàn)室中深入探索

酶——生命中最鋒利的化學(xué)工具

即使在1979年，作為一名剛畢業(yè)的機(jī)械和航天工程師，弗朗西斯·阿諾德也有一個(gè)清晰的愿景，那就是通過(guò)新技術(shù)造福人類(lèi)。美國(guó)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，到2000年，20%的電力將來(lái)自可再生能源，那么研究員弗朗西斯·阿諾德？阿諾德開(kāi)始研究太陽(yáng)能的方向，但1981年總統(tǒng)大選后，這個(gè)行業(yè)的前景發(fā)生了根本性的變化，然后她轉(zhuǎn)向研究新的DNA技術(shù)。正如她自己所表達(dá)的那樣，通過(guò)重寫(xiě)生命代碼的能力，一種制造日常生活所需材料和化學(xué)品的新方法將得以實(shí)現(xiàn)。

研究人員弗朗西斯(Frances)沒(méi)有使用傳統(tǒng)的化學(xué)方法生產(chǎn)藥物、塑料和其他化學(xué)品(傳統(tǒng)的化學(xué)方法通常需要強(qiáng)溶劑、重金屬和腐蝕性酸)？阿諾德的想法是使用生命的化學(xué)工具:酶進(jìn)行研究。酶可以催化地球上任何生物的化學(xué)反應(yīng)。如果我們能?chē)L試開(kāi)發(fā)一種新型酶，弗朗西斯·阿諾德可能會(huì)改變整個(gè)化學(xué)研究領(lǐng)域。

人類(lèi)思維有局限性

起初，弗朗西斯·阿諾德(Frances Arnold)像80年代末的許多科學(xué)家一樣，試圖用傳統(tǒng)方法重建酶賦予的新特性，但酶是非常復(fù)雜的分子，由20種不同的氨基酸元素以不規(guī)則的方式組成，而單個(gè)酶由數(shù)千個(gè)氨基酸組成，它們往往以長(zhǎng)鏈的形式連接在一起，從而折疊形成特殊的三維結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)中，可以創(chuàng)造出催化特定化學(xué)反應(yīng)的必要環(huán)境。

用邏輯來(lái)計(jì)算如何重塑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)賦予酶一個(gè)新的特征似乎非常困難，即使用目前的知識(shí)和計(jì)算機(jī)技能也可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。90年代初，面對(duì)大自然的優(yōu)越，弗朗西斯·阿諾德表現(xiàn)出謙遜。用她的話來(lái)說(shuō)，她決定放棄這個(gè)有些自大的想法。相反，她從自然界本身優(yōu)化化學(xué)的方法，即進(jìn)化中找到了靈感。

圖2:酶定向進(jìn)化背后的機(jī)制

開(kāi)始“玩”進(jìn)化

多年來(lái)，弗朗西斯·阿諾德(Frances Arnold)試圖修飾一種叫做枯草桿菌蛋白酶的酶，使其可以在有機(jī)溶劑(DMF，二甲基甲酰胺)中工作，而不是在水溶液中催化化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)在，她隨機(jī)改變了酶的遺傳密碼，然后將這些突變基因引入細(xì)菌，注意產(chǎn)生數(shù)千種不同突變形式的枯草桿菌蛋白酶。

此后，研究人員面臨著找出哪些突變體在有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出最佳效果的挑戰(zhàn)。在進(jìn)化過(guò)程中，我們說(shuō)的是生存，而在定向進(jìn)化中，這個(gè)階段叫做選擇階段。研究人員使用枯草桿菌蛋白酶來(lái)破壞牛奶中的酪蛋白，然后她選擇了在35%的二甲基甲酰胺溶劑中能最有效地破壞酪蛋白的枯草桿菌蛋白酶的突變形式，然后弗朗西斯·阿諾德(Frances Arnold)在枯草桿菌蛋白酶中引入了新一輪隨機(jī)突變，從而衍生出一種在二甲基甲酰胺中表現(xiàn)更好的突變體。

在第三代枯草桿菌蛋白酶中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特殊的突變體，其作用效率是原始酶的256倍。這種酶突變體有10種不同的突變組合，沒(méi)有研究人員能預(yù)測(cè)它的益處；然后研究人員展示了這種定向選擇的力量，這有助于提高新酶的產(chǎn)量。這也可能是研究人員邁出的革命性一步。下一個(gè)重要步驟由威廉·斯特梅爾完成，他是一名荷蘭研究員，死于2013年。他描述了酶定向進(jìn)化的另一個(gè)方面，即試管配對(duì)。

配對(duì)——獲得更穩(wěn)定的進(jìn)化特征

比如，自然進(jìn)化的前提是來(lái)自不同個(gè)體的基因通過(guò)配對(duì)或傳粉的方式進(jìn)行混合，往往結(jié)合有益的特性，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的生物體。同時(shí)，功能低下的基因突變會(huì)在世代進(jìn)化過(guò)程中消失；威廉·斯特梅爾使用的試管相當(dāng)于DNA改組。1994年，他證明了可以將不同版本的基因切割成小片段，然后借助DNA技術(shù)，研究人員將這些小片段拼接成一個(gè)完整的基因，即最初的拼接版本。

經(jīng)過(guò)多次循環(huán)的DNA改組，威廉·斯特梅爾改變了酶，使它們比原來(lái)的酶更有效，這表明基因重組可能使酶更有效地進(jìn)化。

新的酶可以生產(chǎn)可持續(xù)的生物燃料

自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，DNA技術(shù)得到了改造，使定向進(jìn)化的方法成倍增加。弗朗西斯·阿諾德在這些研究中處于領(lǐng)先地位，如果她實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的酶能催化自然界不存在的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生新材料。她定制的酶也成為制造藥物等各種物質(zhì)的重要工具；隨著化學(xué)反應(yīng)的加速，副產(chǎn)物會(huì)減少，在某些情況下，傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)所需的重金屬可能會(huì)被消除，從而大大減少對(duì)環(huán)境的影響。

事情似乎又回到了原點(diǎn)。弗朗西斯·阿諾德又開(kāi)始生產(chǎn)可再生能源了?，F(xiàn)在，她的研究團(tuán)隊(duì)可以開(kāi)發(fā)將單糖轉(zhuǎn)化為異丁醇的酶，異丁醇是一種富含能量的物質(zhì)，可用于生產(chǎn)生物燃料和綠色塑料；研究人員的長(zhǎng)期目標(biāo)之一是生產(chǎn)運(yùn)輸燃料。如今，阿諾德的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的替代燃料可以用于騎自行車(chē)和飛行，她也通過(guò)這種方式為綠色世界做出了自己的貢獻(xiàn)。

先說(shuō)這個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的第二部分。研究人員通過(guò)定向進(jìn)化直接開(kāi)發(fā)出特殊藥物，可以幫助中和毒素，抵抗自身免疫性疾病的進(jìn)展，有時(shí)甚至可以治療轉(zhuǎn)移性癌癥。這是一種特殊的噬菌體展示技術(shù)的結(jié)果。

使用噬菌體進(jìn)行研究

科研往往是一條不可預(yù)知的路。20世紀(jì)80年代初，喬治·史密斯開(kāi)始用噬菌體感染細(xì)菌，希望被感染的細(xì)菌能克隆基因。那時(shí)候DNA技術(shù)還“年輕”，人類(lèi)有機(jī)體的基因組就像一個(gè)新大陸。研究人員知道，人類(lèi)基因組包含生產(chǎn)人類(lèi)蛋白質(zhì)所需的所有基因，但識(shí)別編碼特定蛋白質(zhì)的基因似乎像大海撈針一樣困難。

但是，研究人員可以利用新的遺傳工具將基因插入細(xì)菌基因組，使細(xì)菌產(chǎn)生大量蛋白質(zhì)用于研究。整個(gè)過(guò)程叫做基因克隆，研究員喬治？史密斯的想法是，尋找基因的研究人員應(yīng)該熟練使用噬菌體來(lái)完成他們的研究。

噬菌體——連接蛋白和未知基因的橋梁

噬菌體本質(zhì)上非常簡(jiǎn)單，它是由蛋白質(zhì)包裹的小塊遺傳物質(zhì)組成的。在繁殖時(shí)，經(jīng)常注射到細(xì)菌中，劫持細(xì)菌的代謝，然后細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生新的噬菌體遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)，進(jìn)而形成新的噬菌體。喬治·史密斯認(rèn)為，研究人員應(yīng)該利用噬菌體的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來(lái)尋找編碼已知蛋白質(zhì)的未知基因。此時(shí)，研究人員已經(jīng)建立了一個(gè)大分子文庫(kù)，其中包含了大量未知的基因片段。喬治·史密斯說(shuō)，這些未知的基因片段可以與噬菌體膠囊中編碼蛋白質(zhì)的基因結(jié)合。當(dāng)一個(gè)新的噬菌體產(chǎn)生時(shí)，來(lái)自未知基因的特殊蛋白質(zhì)最終會(huì)作為囊蛋白的一部分出現(xiàn)在噬菌體表面(見(jiàn)圖3)。

圖3:噬菌體展示技術(shù)示意圖

抗體可以找到合適的蛋白質(zhì)

這將導(dǎo)致表面帶有不同蛋白質(zhì)的噬菌體混合在一起。然后，研究人員喬治·史密斯(George Smith)假設(shè)，研究人員可以使用抗體找到含有許多已知蛋白質(zhì)的噬菌體，抗體的功能類(lèi)似于目標(biāo)導(dǎo)彈，可以非常精確地有效識(shí)別和結(jié)合單個(gè)蛋白質(zhì)。如果研究人員在混合噬菌體中發(fā)現(xiàn)了一些東西，并且他們知道這種抗體可以吸附在已知的蛋白質(zhì)上，那么作為副產(chǎn)品，研究人員可以獲得這種蛋白質(zhì)的未知基因。

1985年，喬治·史密斯(George Smith)證明了這種方法是可行的，然后他生產(chǎn)了一種表面可以攜帶肽蛋白的噬菌體。使用這種抗體，研究人員可以從許多混合噬菌體液體中提取由它構(gòu)建的噬菌體。

抗體可以阻止許多疾病的發(fā)展

人體淋巴系統(tǒng)中有多種細(xì)胞，這些細(xì)胞可以產(chǎn)生數(shù)百種不同的抗體。有了一個(gè)成熟的系統(tǒng)，所有這些細(xì)胞都可以被檢測(cè)出來(lái)，這樣就不會(huì)有抗體吸附在人體的多種分子上。然而，這種巨大的變化確保了總有一種抗體能夠吸附感染宿主生物體的病毒或細(xì)菌。當(dāng)抗體吸附在異物表面時(shí)，它會(huì)向機(jī)體的攻擊性免疫細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，告訴它們應(yīng)該殺死入侵者。

由于抗體具有高度的選擇性，可以吸附在成千上萬(wàn)個(gè)分子中的一個(gè)分子的表面，研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直希望設(shè)計(jì)出能夠阻止許多疾病進(jìn)展的抗體。最初，為了獲得這些治療性抗體，研究人員給小鼠注射了不同的藥物靶點(diǎn)，如來(lái)自癌細(xì)胞的蛋白質(zhì)；然而，到了80年代，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越意識(shí)到這種方法的局限性，有些方法對(duì)小鼠有毒性，而有些方法不能誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生抗體。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，獲得性抗體往往被患者的免疫系統(tǒng)識(shí)別為外來(lái)抗體，并攻擊這些抗體，往往導(dǎo)致小鼠體內(nèi)抗體的破壞，對(duì)患者存在副作用的風(fēng)險(xiǎn)。

將抗體置于噬菌體表面

抗體是一種Y形分子。研究員格雷格·溫特將抗體的遺傳信息與編碼噬菌體包膜蛋白的基因聯(lián)系起來(lái)。20世紀(jì)90年代，他證明了抗體的結(jié)合位點(diǎn)最終會(huì)出現(xiàn)在噬菌體表面，設(shè)計(jì)的抗體可以吸附名為phOx的分子。溫特用phOx作為分子鉤子時(shí)，成功地從400萬(wàn)個(gè)噬菌體混合物中篩選出攜帶抗體的噬菌體。

研究員格雷格·溫特說(shuō)，他可以在抗體的定向進(jìn)化中使用噬菌體展示技術(shù)，然后他建立了一個(gè)可以攜帶數(shù)十億抗體分子的噬菌體文庫(kù)。在這個(gè)庫(kù)中，研究人員可以篩選出吸附不同目標(biāo)蛋白質(zhì)的抗體。；隨后，研究人員隨機(jī)改變第一代抗體，創(chuàng)建了一個(gè)新的抗體庫(kù)，發(fā)現(xiàn)庫(kù)中的抗體對(duì)目標(biāo)具有更強(qiáng)的吸附能力。例如，1994年，研究人員利用這種方法開(kāi)發(fā)了一種抗體，它可以以更高的特異性吸附到癌細(xì)胞上。

圖4:使用噬菌體展示技術(shù)的抗體定向進(jìn)化示意圖

世界上第一種基于人類(lèi)抗體的藥物

后來(lái)，研究員格雷格·溫特和他的同事們建立了一家基于抗體噬菌體展示技術(shù)的公司。20世紀(jì)90年代，研究人員開(kāi)發(fā)了一種完全基于人類(lèi)抗體的藥物——阿達(dá)木單抗，它可以中和名為腫瘤壞死因子-α的蛋白質(zhì)，腫瘤壞死因子-α可以驅(qū)動(dòng)許多自身免疫性疾病患者的炎癥。2002年，這種藥物被批準(zhǔn)用于治療類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，也可以治療各種類(lèi)型的銀屑病和炎癥性腸病。

阿達(dá)木單抗的成功刺激了制藥工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。如今，噬菌體展示技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)產(chǎn)生多種癌癥抗體，其中一種抗體可以釋放人體的殺傷細(xì)胞，從而有效地攻擊腫瘤，從而減緩腫瘤的生長(zhǎng)，甚至在某些情況下可以治愈一些轉(zhuǎn)移性癌癥患者。這可能是癌癥治療領(lǐng)域的歷史性突破；另一種被批準(zhǔn)的抗體可以中和誘導(dǎo)炭疽的細(xì)菌毒素，其他抗體可以減緩紅斑狼瘡等自身免疫性疾病的進(jìn)展。

化學(xué)研究領(lǐng)域新時(shí)代的開(kāi)始

2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的方法在國(guó)際上不斷發(fā)展，可能會(huì)促進(jìn)更綠色的化學(xué)工業(yè)，幫助開(kāi)發(fā)新材料，制造可持續(xù)的生物燃料，幫助緩解人類(lèi)疾病，拯救生命；酶的定向進(jìn)化和噬菌體抗體展示技術(shù)也使這三位科學(xué)家為人類(lèi)健康做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，為化學(xué)研究領(lǐng)域的革命奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):[1]阿諾德，f . &；《美國(guó)國(guó)家空天技術(shù)研究所研究員:弗朗西斯·阿諾德博士訪談》。技術(shù)與創(chuàng)新，18，79-82

[2]哈丁(2006)格雷格·溫特爵士——抗體的人道主義者。柳葉刀，368，S50

[3]南丁格爾，K. (2013)格雷格·溫特:開(kāi)創(chuàng)性的抗體藥物。

[4]特雷格，R. (2018年)與弗朗西斯·阿諾德在原地。化學(xué)世界。

視頻

[1]MoleQuickStv(2017年6月4日)Frances Arnold:新酶的進(jìn)化

[2]slidslive(2015年11月23日)治療性抗體:制藥領(lǐng)域的一場(chǎng)革命