鍛造進化的“鑰匙”

付冰冰

北京時間2018年10月3日下午5時45分（當?shù)貢r間上午11時45分）瑞典皇家科學院宣布將2018年度諾貝爾化學獎授予弗朗西斯·阿諾德（美國）、喬治·史密斯教授（美國）和格雷戈里·溫特爵士（英國），以表彰他們在酶的定向進化和多肽（抗體）的噬菌體展示技術(shù)研究方面的杰出貢獻。弗朗西斯·阿諾德因研究酶的定向進化而分享一半獎金。 喬治·史密斯和格雷戈里·溫特因研究多肽和抗體的噬菌體展示技術(shù)而共享另一半獎金。

進化是自然界中存在的強大力量，其本質(zhì)是基因隨機突變和選擇，三位科學家利用這一原理，建立了一系列技術(shù)和方法來實現(xiàn)自己的目的，從而生產(chǎn)出自然界中不存在的新的酶和抗體，并利用這些方法與成果造福人類。首都醫(yī)科大學醫(yī)學遺傳與發(fā)育生物學系曹立雪教授表示，通過定向進化制造的酶可用于生產(chǎn)各類產(chǎn)品，包括生物燃料、藥品等等。利用噬菌體展示技術(shù)生產(chǎn)的抗體能夠?qū)棺陨砻庖咝约膊?，在有些情況下甚至能夠治愈轉(zhuǎn)移性癌癥。

“進化”研究之路

弗朗西斯·阿諾德于1956年出生在美國匹茲堡，1985年從加州大學伯克利分校獲得博士學位，現(xiàn)為加州理工學院化學工程、生物工程和生物化學系教授。

1993年，她首次進行了酶的定向進化，不久后改進了當時用于開發(fā)新型催化劑的常規(guī)方法。通過不斷積累與嘗試，弗朗西斯·阿諾德獲取了一系列性能優(yōu)良、對環(huán)境無毒無害的酶，被應(yīng)用于制藥行業(yè)和生物燃料等領(lǐng)域。

喬治·史密斯于1941年出生在美國康涅狄克州，1970年從哈佛大學獲得博士學位，現(xiàn)為密蘇里大學生物科學學院榮譽教授。1985年，喬治·史密斯發(fā)明了一種被稱為噬菌體展示技術(shù)的方法，噬菌體可用于進化新的蛋白質(zhì)。

格雷戈里·溫特爵士于1951年出生于英國萊斯特郡，1976年獲得英國劍橋大學博士學位，現(xiàn)為劍橋大學MRC分子生物學實驗室榮譽研究負責人。格雷戈里·溫特爵士利用噬菌體展示技術(shù)進行抗體的定向進化，目的是生產(chǎn)新的藥物，2002年第一種基于此種方法生產(chǎn)的用于治療類風濕性關(guān)節(jié)炎、牛皮癬和炎性腸病的新藥——“阿達木單抗”獲得批準上市，從那以后，噬菌體展示技術(shù)生產(chǎn)出了可以中和毒素、抵抗自身免疫性疾病和治療轉(zhuǎn)移性癌癥的抗體。

“量身定做”的酶

在我們生活的星球上有一種神奇而強大的力量伴隨著生命的發(fā)生、繁榮與進化。自37億年前地球上出現(xiàn)首批生命以來，幾乎每寸地表中都填滿了不斷對環(huán)境做出適應(yīng)的生命體，比如生長在貧瘠山脊上的地衣，在熱泉中頑強生存的藻類，干燥沙漠中渾身披甲的爬行動物，以及在黑暗的深海中閃閃發(fā)光的水母。

曹立雪教授表示，地球上的生物之所以能存活下去，是因為進化幫它們解決了無數(shù)復(fù)雜的化學問題。所有生物都可以從周邊環(huán)境中提取可用的物質(zhì)和能量，用它們合成自己所需的獨特化學成分。魚的血液中含有防凍蛋白質(zhì)，因此它們在極地冰洋中也能暢游無阻。貝類能分泌一種水下分子膠，因此可以牢牢黏附在巖石上。這些化學反應(yīng)的絕妙之處在于，它們已經(jīng)被編寫進了我們的基因中，能夠代代相傳、不斷演變?；蛉绻l(fā)生了一點兒意外變化，就會改變這種化學反應(yīng)。有時這會削弱生物體的生存能力，有時則會讓該生物變得更加強大。隨著新的化學反應(yīng)逐漸出現(xiàn)，地球上的生命也變得愈加復(fù)雜。自地球上的生命出現(xiàn)以來，酶的自然進化就已經(jīng)存在。基因的突變和蛋白質(zhì)進化提高了機體在新的環(huán)境條件下的適應(yīng)性。

幾千年來，人類通過選擇具有所需特性的生物來繁殖動物和植物。人類已經(jīng)在定向進化和優(yōu)化酶及結(jié)合蛋白，但是在大部分時間里，人們甚至不知道自己在做什么。曹立雪指出，“自然選擇和進化在自然界中普遍存在，這是一個漫長而隨機的生物過程，酶的定向進化是將這一過程放在試管中，按照人們的意愿去選擇需要的酶的過程”。

酶和結(jié)合蛋白的定向進化是建立在分子眼光基礎(chǔ)上的人造程序，它將進化過程轉(zhuǎn)移到實驗室并加速進化，該方法依賴于在確定的隨機性水平下蛋白質(zhì)序列的預(yù)期變異與工程篩選及選擇策略相結(jié)合。

自20世紀末以來，由于基因從頭合成成本的降低，研究人員可以通過簡并密碼子或完全設(shè)計的基因從頭合成來定制多樣性序列文庫?；蛑嘏藕头肿釉O(shè)計為進化提供了可用的素材，選擇為定向進化確定方向。

DNA工具自20世紀90年代以來一直在不斷改良，定向進化方法也比從前多了幾倍。弗朗西斯·阿諾德一直走在時代發(fā)展的前列。她所在的實驗室制造的酶甚至能夠催化自然界中不存在的化學反應(yīng)，從而制造出全新的材料。經(jīng)她“量身定做”的酶已經(jīng)成為多種物質(zhì)的重要生產(chǎn)工具，如藥物生產(chǎn)等。

利用這些酶，化學反應(yīng)速度得以大大提高，副產(chǎn)物也明顯減少，在有些情況下，還能杜絕傳統(tǒng)化學反應(yīng)中重金屬的使用，因此顯著減小了對環(huán)境的影響。

事情總會不斷循環(huán)，弗朗西斯·阿諾德如今又開始了對可再生能源生產(chǎn)的研究。她的研究團隊研發(fā)了幾種酶，能夠把簡單的糖類轉(zhuǎn)化成異丁醇。這種物質(zhì)富含能量，可用于生產(chǎn)生物燃料和環(huán)保塑料。他們的長期目標之一是，通過生產(chǎn)更環(huán)保的燃料，打造更有利于環(huán)境的交通運輸行業(yè)。通過應(yīng)用阿諾德研發(fā)的酶制造的其他燃料還可用在小轎車和航天飛機上。由此看來，她研發(fā)的酶對讓世界更加綠色環(huán)保做出了卓越貢獻。

讓病毒為“進化”打工

噬菌體本身是一種專門感染細菌的病毒，它會通過向細菌注入自己的DNA的方式，讓細菌生產(chǎn)出病毒自己的蛋白質(zhì)，復(fù)制出無數(shù)個自己?；谑删w這個特殊生存機制，喬治·史密斯發(fā)明了噬菌體展示技術(shù)，該技術(shù)可以將外源多肽在噬菌體表面表達，并無限繁殖，史密斯還建立了以親和篩選為基礎(chǔ)的簡單篩選方法，用于結(jié)合蛋白的進化。格雷戈里·溫特利用這一技術(shù)生產(chǎn)醫(yī)用抗體，通過多輪次親和篩選，噬菌體展示技術(shù)可以生產(chǎn)高特異性、高親和力抗體，針對特定疾病或腫瘤的高親和力、高特異性抗體可以用于相關(guān)疾病的治療。

20世紀90年代，由格雷戈里·溫特和他的同事們創(chuàng)立的基于抗體噬菌體展示技術(shù)的公司開發(fā)出一種新藥，其完全基于一種人類抗體：“阿達木單抗”。這種抗體能夠中和腫瘤壞死因子，該因子在許多自身免疫疾病中可引發(fā)炎性反應(yīng)。

在2002年，這種藥物被批準用于類風濕性關(guān)節(jié)炎，而現(xiàn)在這種藥物更是被應(yīng)用于不同類型的牛皮癬以及炎性腸道疾病的治療。

“阿達木單抗”的成功在制藥行業(yè)掀起波瀾，噬菌體展示技術(shù)被很快應(yīng)用于生產(chǎn)癌癥抗體和其他藥物，其中有一種藥物能夠釋放人體自然殺傷細胞，以便后者去對腫瘤細胞發(fā)起攻擊。腫瘤細胞的生長將被遲滯，甚至在某些案例中，成功治愈了患有轉(zhuǎn)移性腫瘤的患者，這在腫瘤治療史上是一項重要的成就。

另一種已經(jīng)被批準的抗體藥物則可以被用于中和引發(fā)炭疽的細菌性毒素，還有一種藥物可以緩解某些自身免疫疾病，如狼瘡，還有更多的類似藥物正處于臨床實驗階段，其中包括對抗阿爾茨海默癥的藥物。

相對于免疫產(chǎn)生的抗體，從噬菌體展示文庫中提出的抗體親和力提高了數(shù)千至數(shù)百萬倍。這種非常高的親和力使得它們可以用作皮下自給藥治療劑，而不需要在醫(yī)生辦公室中在靜脈內(nèi)注射更大量的治療劑。

目前，科研人員已經(jīng)使用噬菌體展示技術(shù)鑒定一系列人抗體并且在臨床上用于炎性疾病和癌癥的治療。

2018年諾貝爾化學獎獲獎人所引人的方法已經(jīng)在全球廣泛應(yīng)用，它讓化學工業(yè)變得更加綠色環(huán)保，幫助產(chǎn)生新的物質(zhì)，生產(chǎn)數(shù)量可觀的生物燃料，消除疾病，拯救生命。

酶的定向進化以及抗體的噬菌體展示技術(shù)，讓今年的三位獲獎人—弗朗西斯·阿諾德、喬治·史密斯以及格雷戈里·溫特爵士得以幫助人類社會創(chuàng)造最大福祉，并為化學領(lǐng)域的一場深刻革命奠定了基礎(chǔ)。