定向進化：駕馭進化的力量

青云

在生命數(shù)十億年的發(fā)展歷程中，進化起到了至關重要的作用。進化是一種偉大的自然力量，因此科學家希望在實驗室里模仿生命的進化方法，實現(xiàn)生物大分子（主要是蛋白質）的快速進化。這種掌控生物分子進化的方法，被稱為“定向進化”。美國科學家弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和英國科學家格雷戈里·溫特，因為在定向進化研究領域的開創(chuàng)性貢獻，獲得了2018年諾貝爾化學獎。

酶的定向進化

在生物體內含有的各種蛋白質中，酶是一種重要的蛋白質。酶是一類生物催化劑，可加速各種生物中的化學反應。如果沒有酶，我們將很難進行消化吸收、細胞修復、消炎排毒等。如果我們失去了酶，生命也就走向了終點。

酶除了作為生命延續(xù)的重要工具，還能運用于多種原材料的生產。比如，醬油、食醋、酒的生產就是在酶的作用下完成的;洗衣粉中加入酶，可以使洗衣的效率提高。各種酶制劑在臨床上的應用也越來越普遍。由于酶的應用廣泛，酶的提取和合成就成了重要的研究課題。1993年，阿諾德進行了第一次酶的定向進化，并獲得了新的酶。

從第一次工業(yè)革命開始，人們就希望能快速合成一些自然界中存在或不存在的分子。在1990年以前，科學家在人工設計新蛋白質分子方面，一直沒有獲得太大的進展。現(xiàn)如今，這樣的合成技術越來越多且越來越成熟。但是，因為生物大分子是自然界中最復雜的分子，所以科學家設計和合成生物大分子時，還是感到十分吃力。

定向進化是在實驗室中快速完成蛋白質的進化過程?試管

人工連接酶

而半路出家的阿諾德打破以傳統(tǒng)的化學方法來設計蛋白質分子的常規(guī)思維，借助進化的力量從而獲得了成功。阿諾德對進化的力量充滿了好奇。自從第一批生物的種子在約37億年前誕生以來，地球上幾乎每一寸空間都充滿著包括微生物在內的多樣化生命體。生命在各種極端的環(huán)境下都能存活下來，這是因為構成生命的蛋白質在數(shù)億萬年的進化歷程中，已經被改變、優(yōu)化和更新，創(chuàng)造出了難以置信的多樣性。

進化的本質是基因突變和自然選擇。而阿諾德在實驗中，通過改變微生物培養(yǎng)液中各種化學成分的濃度，讓可產生酶的微生物發(fā)生隨機的基因突變，再用合適的方法加以篩選，找出自己所需的目標微生物，最終利用這些微生物生產出自己所需的新酶。

以往工業(yè)生產中所用到的酶，通常是在自然界中篩選出來的。但是這種方法運作周期很長，而且效率也偏低。酶的定向進化技術，是從基因層面對生產酶的微生物進行改造，從而快速獲得酶，或是進化出性能更加好的新酶。阿諾德的定向進化方法，可讓工業(yè)界以更加環(huán)保節(jié)能的方式生產酶，對制藥、化工生產、綠色能源開發(fā)等方面都有著十分重要的作用。

抗體的定向進化

抗體是生物體內能夠抵御外敵入侵的一種蛋白質，是生命防線中的重要成員之一?？贵w主要有兩類：一類是正?？贵w，比如A型血人的體內有對抗B型血輸入的抗體;另一類是免疫抗體，通常用于抵御有毒有害的致病微生物。目前科學家研究比較多的，是可以治病救人的免疫抗體。

如何發(fā)現(xiàn)某個基因能否產生新的抗體？科學家一直在找一個“好演員”，希望它能夠把這種基因很好地展示出來。1985年，史密斯率先發(fā)現(xiàn)了這個“好演員”，它就是噬菌體。就像它的名字一樣，噬菌體是一種能夠感染和吞食細菌的病毒。

科學家將可能產生新抗體的基因，通過特殊的方法插入到噬菌體的基因后發(fā)現(xiàn)，這些基因編碼的蛋白質和噬菌體的外殼蛋白質完美地融合在一起，展示在噬菌體的外殼上。因此，科學家把這種獨特的技術叫作“噬菌體展示技術”。由于新培育的蛋白質能明明白白地展示在噬菌體的表面，科學家就很容易從中找到適合做新抗體的蛋白質，也能反推出產生這種新抗體的決定性基因。

由于噬菌體生命周期短，繁殖速度快，能讓科學家快速地找到新抗體。通常只需要2周時間，科學家就能找到某個抗體對應的基因，這就增加了科學家對新抗體的挑選余地。經過近30年的發(fā)展和完善，噬菌體展示技術已開始造福人類。這種技術被廣泛應用于抗原抗體庫建立、藥物設計、疫苗研究、病原檢測、基因治療等領域。

噬菌體展示系統(tǒng)模擬了自然免疫系統(tǒng)，使我們有可能模擬體內抗體生成的過程，讓抗體能夠加速進行定向進化，從而大大地提高了免疫藥物的研發(fā)和生產速度。噬菌體展示技術在定向分子進化過程中發(fā)揮了極大的作用，不僅在抗體研究領域成果顯著，而且還能在酶及其活性的研究中發(fā)揮效力。許多科學家都利用史密斯開發(fā)出的噬菌體展示技術進行科學研究，其中具有顯著成效的是溫特。

在獲知史密斯的噬菌體展示技術后，溫特開展了大量的抗體定向進化研究。他不斷地使用在實驗室中獲得的特定基因，將其插入到噬菌體基因中，然后分析噬菌體產生的新蛋白質，最后從中篩選出新的抗體。他因此成了第一個利用抗體定向進化技術發(fā)明新藥的人。這個藥物是阿達木單抗（單克隆抗體），從2002年開始正式用于治療類風濕關節(jié)炎、銀屑病和炎癥性腸病。

定向進化是人類對生命認知的一次重大變革，它將對未來地球生命產生重大而深遠的影響。如果用好這些工具，我們不但可以健康長壽，而且還可以讓人類的生命家園更加美好。當然，我們也得警惕定向進化被壞人利用，從而設計出不利于人類的奇特生物，那很可能會改變地球生態(tài)，給人類帶來難以想象的災難。