走近譜貝爾獎(jiǎng)(十八)試管里的定向進(jìn)化

楊先碧

醬油、食醋、酒的生產(chǎn)都是在酶的作用下完成的。

進(jìn)化是一種偉大的自然力量，科學(xué)家則希望在實(shí)驗(yàn)室里模仿生命的進(jìn)化方法，實(shí)現(xiàn)生物大分子（主要是蛋白質(zhì)）的快速進(jìn)化。這種掌控生物分子進(jìn)化的方法，被稱為“定向進(jìn)化”，也有科學(xué)家戲稱它為“試管里的定向進(jìn)化”。美國科學(xué)家弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯和英國科學(xué)家格雷戈里·溫特，因?yàn)樵诙ㄏ蜻M(jìn)化研究領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲得了2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

酶的廣泛應(yīng)用

在生物體內(nèi)的各種蛋白質(zhì)中，酶是一種重要的蛋白質(zhì)。就像我們?cè)诨瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)中為了加快化學(xué)反應(yīng)的速度而加入的催化劑一樣，酶也是一類可以為生物化學(xué)反應(yīng)加速的催化劑?？茖W(xué)家認(rèn)為，酶是自然界最巧妙的催化劑。酶的催化效率極高，選擇性強(qiáng)，且反應(yīng)條件溫和。如果沒有酶，我們很難消化和吸收食物、細(xì)胞修復(fù)、消炎排毒等。如果我們體內(nèi)失去了酶，生命也就走向了終點(diǎn)。

雖然酶是生命延續(xù)的重要工具，自然界的生命體中就存在著各種各樣的酶，但是人們還是不滿足于僅僅獲取來自自然界中酶的收益，還將天然的或人工合成的酶用于生產(chǎn)多種原材料或產(chǎn)品。隨著蛋白質(zhì)工程的蓬勃發(fā)展，這種來自生命體內(nèi)的催化劑，也應(yīng)用于工業(yè)催化的方方面面。比如：醬油、食醋、酒的生產(chǎn)都是在酶的作用下完成的;洗衣粉中加入酶，可以使洗衣粉去污效率提高;各種酶制劑在臨床上的應(yīng)用也越來越普遍。由于酶的應(yīng)用廣泛，酶的提取和合成就成了重要的研究課題。

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物質(zhì)，現(xiàn)在這樣的合成技術(shù)越來越多且越來越成熟。當(dāng)科學(xué)家面對(duì)生物大分子的合成和設(shè)計(jì)時(shí)，還是感到十分吃力，因?yàn)樯锎蠓肿邮亲匀唤缰凶顝?fù)雜的分子。在1990年以前，科學(xué)家在人工設(shè)計(jì)新蛋白質(zhì)分子方面，一直沒有獲得太大的進(jìn)展，因?yàn)槊傅慕Y(jié)構(gòu)實(shí)在太復(fù)雜了。

酶的定向進(jìn)化

酶由20種不同的氨基酸組成。一個(gè)酶可以包含成百上千個(gè)氨基酸分子，有無數(shù)種可能的排列組合;它們連接成長鏈，折疊成多種三維結(jié)構(gòu)。要想對(duì)如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理性設(shè)計(jì)，用阿諾德的話說，“這有些自不量力?！卑⒅Z德是半路出家的生物化學(xué)家，大學(xué)本科時(shí)學(xué)的是機(jī)械與航空航天工程專業(yè)，只是在上碩士研究生的時(shí)候才轉(zhuǎn)向蛋白質(zhì)工程研究。

阿諾德打破常規(guī)思維，不是想著以傳統(tǒng)的化學(xué)方法來設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子，而是借助進(jìn)化的力量。1993年，阿諾德進(jìn)行了第一次酶的定向進(jìn)化，獲得了新的酶。阿諾德著迷于進(jìn)化的力量。“進(jìn)化是世界上最強(qiáng)大的工程方法，我們應(yīng)該利用它來尋找解決問題的新的生物解決方案?！卑⒅Z德在2017年接受加州理工學(xué)院校報(bào)采訪時(shí)說道。

自從第一批生命的種子在約37億年前誕生以來，地球上的幾乎每一寸空間都充滿著包括微生物在內(nèi)的多樣化生命。生命在各種極端的環(huán)境下都能存活下來，這是因?yàn)闃?gòu)成生命的蛋白質(zhì)在幾十億年的進(jìn)化歷程中，已經(jīng)被優(yōu)化、改變和更新，創(chuàng)造出了難以置信的多樣性。

進(jìn)化的本質(zhì)是基因突變和自然選擇。阿諾德則是在實(shí)驗(yàn)室中，通過改變微生物培養(yǎng)液中各種化學(xué)物質(zhì)濃度的方法，讓可產(chǎn)生酶的微生物發(fā)生隨機(jī)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(biāo)微生物。利用這些微生物生產(chǎn)自己所需的新酶，就可以廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)了。

在非自然的環(huán)境中，比如含有高濃度大極性有機(jī)溶劑的破壞性環(huán)境中，酶的穩(wěn)定性往往會(huì)受到很大影響。而在工業(yè)化生產(chǎn)中，酶又往往需要在有機(jī)溶劑中發(fā)揮催化作用——這一工業(yè)需求隨之帶來一個(gè)問題一能否通過調(diào)整蛋白結(jié)構(gòu)提升酶在有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定性，從而保證甚至提高其催化活性？20世紀(jì)90年代初，阿諾德開始嘗試用進(jìn)化的方法來設(shè)計(jì)酶，以便提升酶在工業(yè)中的應(yīng)用。

阿諾德選擇的研究對(duì)象是枯草芽孢桿菌。這種細(xì)菌的蛋白酶可用于水解酪蛋白，但其在有機(jī)溶劑二甲基甲酰胺（DMF）中的穩(wěn)定性極差，導(dǎo)致其在濃度為60%的DMF水溶液中的催化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在純水中的活性。他們?cè)诒磉_(dá)該蛋白酶的基因中引入隨機(jī)突變，得到表達(dá)相應(yīng)突變體酶的菌落，并快速篩選出了催化活性更高的突變體。通過數(shù)輪進(jìn)化，他們得到了在60%DMF溶液中的催化效率提高了256倍的枯草芽孢桿菌蛋白酶突變體！這個(gè)活性水平與普通的枯草芽孢桿菌蛋白酶在水中的活性水平相當(dāng)。基于這個(gè)研究，阿諾德提出了“定向進(jìn)化”這一概念——通過一定程度上模擬自然進(jìn)化與選擇的過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白引入有益突變，從而改造蛋白功能。

枯草芽孢桿菌可定向進(jìn)化出新酶。

以往在工業(yè)生產(chǎn)中所用到的酶，通常是在自然界中篩選出來的，比如從土壤、水、生物中進(jìn)行篩選，但是這種方法周期很長，而且效率也偏低。酶的定向進(jìn)化技術(shù)，是從基因水平對(duì)生產(chǎn)酶的微生物進(jìn)行改造，從而快速獲得酶，或是進(jìn)化出性能更加好的新酶。阿諾德的定向進(jìn)化方法，可讓工業(yè)界以更加環(huán)保節(jié)能的方式生產(chǎn)酶，對(duì)化工生產(chǎn)、制藥、綠色能源開發(fā)等方面都有著十分重要的意義。

定向進(jìn)化是在實(shí)驗(yàn)室中快速完成蛋白質(zhì)的進(jìn)化過程。

大腸桿菌在化學(xué)物質(zhì)的刺激下可定向進(jìn)化出新酶。

在2013年獲得美國國家技術(shù)與創(chuàng)新獎(jiǎng)時(shí)的一條視頻短片中，阿諾德教授解釋了她所做的工作：“定向進(jìn)化讓我重寫生命密碼，尤其是用它來解決人類的問題。定向進(jìn)化的神奇之處就在于，一旦你展示了這種能力，那么所有具有創(chuàng)造力的人都能夠?qū)⑺鼞?yīng)用到解決實(shí)際問題中去?！卑⒅Z德還身體力行，參與了這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，先后與他人聯(lián)合創(chuàng)立了一家合成航空燃料前驅(qū)物的公司和一家殺蟲劑公司。

抗體的定向進(jìn)化

抗體是生物體內(nèi)能夠抵御外敵入侵的蛋白質(zhì)，是生命防線中的重要成員。抗體主要有兩類，一類是正常抗體，比如對(duì)血型為A型的人來說，體內(nèi)有對(duì)抗B型血輸入的抗體;還有一類是免疫抗體，通常用于抵御有毒有害的致病微生物?？茖W(xué)家研究比較多的是可以治病救人的免疫抗體。

如何才能發(fā)現(xiàn)某個(gè)基因能否產(chǎn)生新的抗體？科學(xué)家一直在找一個(gè)“好演員”，希望它能夠把那些能夠產(chǎn)生新抗體的基因很好地展示出來。1985年，史密斯率先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“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(xì)菌的病毒。

我們都知道，基因是生產(chǎn)蛋白質(zhì)的密碼。然而，生物體內(nèi)的基因數(shù)不勝數(shù)，過去科學(xué)家一直缺乏便捷有效的方法找到生產(chǎn)某個(gè)蛋白質(zhì)的特定基因。為解決這個(gè)問題，史密斯教授在結(jié)構(gòu)極為簡單的噬菌體身上找到了靈感。他的妙想是：鑒于噬菌體的最外層是“衣殼蛋白”，可將一條基因片段插入噬菌體的衣殼蛋白基因中，隨后這條基因片段將生產(chǎn)出新的蛋白質(zhì)，并成為噬菌體外層的衣殼蛋白的一部分——這樣，插入的基因片段所對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)自然就在噬菌體表面“展示”出來了。因此，科學(xué)家把這種獨(dú)特的技術(shù)叫作“噬菌體展示技術(shù)”。

通過實(shí)驗(yàn)，這一“展示技術(shù)”得到證實(shí)，并不斷改進(jìn)。由于新培育的蛋白質(zhì)能明明白白地展示在噬菌體的表面，科學(xué)家就很容易從中找到適合作新抗體的蛋白質(zhì)，也能反推出產(chǎn)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，這樣就能讓科學(xué)家快速地找到新抗體。通常只需要兩個(gè)星期，科學(xué)家就能找到某個(gè)抗體對(duì)應(yīng)的基因，這讓科學(xué)家對(duì)新抗體的挑選余地就很大。

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(nèi)抗體生成過程，讓抗體能夠加速進(jìn)行定向進(jìn)化，大大促進(jìn)了免疫藥物的研發(fā)和生產(chǎn)速度。噬菌體展示技術(shù)在定向分子進(jìn)化過程中發(fā)揮非常大的作用，不僅在抗體研究領(lǐng)域作用很大，還能用于酶及其活性的研究。經(jīng)過近30多年的發(fā)展和完善，噬菌體展示技術(shù)已開始造福人類。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于抗原抗體庫的建立、藥物設(shè)計(jì)、疫苗研究、病原檢測(cè)、基因治療等。

一般人發(fā)明了這樣好的技術(shù)，馬上就會(huì)去申請(qǐng)專利，或者開公司賺錢。然而，史密斯選擇讓別人無條件地使用他的噬菌體展示方法。許多科學(xué)家都在利用史密斯開發(fā)出的噬菌體展示技術(shù)，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(shù)后.溫特開展了大量的抗體定向進(jìn)化研究。他不斷地用住實(shí)驗(yàn)室中獲得的特定基因插入到噬菌體基因中，然后分析噬菌體產(chǎn)生的新蛋白質(zhì)，從中篩選出新的抗體。他因此成了第一個(gè)利用抗體定向進(jìn)化技術(shù)發(fā)明新藥的人。這個(gè)藥物是阿達(dá)木單抗（單克隆抗體），從2002年開始正式用于治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、銀屑病和炎癥性腸病。

定向進(jìn)化是人類對(duì)生命認(rèn)知的一次重大變革，它對(duì)未來地球生命將產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。如果用好這些工具，不但可以讓人們的生命家園更加美好，而且可以讓我們健康長壽。當(dāng)然，我們也得警惕定向進(jìn)化被人利用，從而設(shè)計(jì)出不利于人類的奇特生物，那很可能改變地球生態(tài)，給人類帶來難以想象的災(zāi)害。（責(zé)任編輯 張虹）

獲獎(jiǎng)?wù)吆喗?/h3>

弗朗西絲·阿諾德（Frances H.Arnold），生物化學(xué)家，美國加州～ALY-學(xué)院教授，迄今為止第五位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的女科學(xué)家。1956年生于美國匹茲堡，1979年本科畢業(yè)于美國普林斯頓大學(xué)，1986年于美國加州大學(xué)伯克利分校獲博士學(xué)位。

喬治·史密斯（George P.Smith），生物學(xué)家，美國密蘇里大學(xué)生物科學(xué)系榮譽(yù)教授。1941年生于美國諾沃克，1970年于美國哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，然后到威斯康星大學(xué)做博士后（合作導(dǎo)師：諾貝爾獎(jiǎng)獲得者奧利弗·史密斯），1975年到密蘇里大學(xué)工作。2007年獲美國微生物學(xué)會(huì)頒發(fā)的普羅麥格生物技術(shù)研究獎(jiǎng)。

格雷戈里·溫特（Gregory P.Winter），分子生物學(xué)家，英國劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)研究主任。1951年生于英國萊徹斯特，1976年于英國劍橋大學(xué)獲博士學(xué)位。1989年創(chuàng)立了劍橋抗體技術(shù)公司，參與抗體工程研究。2011年獲英國皇家學(xué)會(huì)頒發(fā)的皇家獎(jiǎng)?wù)隆?h3>堅(jiān)韌不拔的女科學(xué)家

弗朗西斯·阿諾德教授是諾貝爾獎(jiǎng)118年歷史上第五位女性化學(xué)獎(jiǎng)得主。最近一位化學(xué)獎(jiǎng)得主是2009年以色列的艾達(dá)·約納特，此前獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的女性得主包括1911年的瑪麗·居里、1935年的伊雷娜·約里奧一居里與1964年的多蘿西-霍奇金。同時(shí)，阿諾德也是首位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的美國女科學(xué)家，是最早獲得美國國家科學(xué)院、美國國家工程院、美國國家醫(yī)學(xué)院“三院院士”稱號(hào)的女性科學(xué)家，也是英國皇家工程學(xué)院外籍院士。

阿諾德1956年出生于美國匹茲堡的一個(gè)科學(xué)世家，她的父親是美國著名的核工程專家，在43歲那年獲得了美國工程院院士稱號(hào)。巧的是，阿諾德也是在43歲時(shí)獲得美國工程院院士的稱號(hào)，他們是美國歷史上為數(shù)不多的一對(duì)“父女院士”。

近年來，阿諾德獲得了許多重要的獎(jiǎng)項(xiàng)，成為令人矚目的明星科學(xué)家。2013年，她獲得美國國家技術(shù)與創(chuàng)新獎(jiǎng)，奧巴馬在白宮親自為她頒獎(jiǎng)。2014年，她入選國家發(fā)明家名人堂。2016年，她成為第一位獲得芬蘭科技學(xué)院頒發(fā)的“千年技術(shù)獎(jiǎng)”的女性。2017年，她獲得了美國國家科學(xué)院頒發(fā)的薩克勒獎(jiǎng)。

但事業(yè)上成績斐然的阿諾德，卻在生活上遇到諸多坎坷。2001年，阿諾德的第一任丈夫、美國工程院院士、生物化學(xué)工程師詹姆斯·貝利患癌癥去世;2005年，阿諾德確診患乳腺癌，接受了18個(gè)月的治療;2010年，她的第二任丈夫、美國科學(xué)院院士、著名的宇宙學(xué)家安德魯·朗格自殺身亡;2016年，她正在上大三的兒子也在意外中身亡。

作為女性科學(xué)家，常會(huì)面對(duì)性別壁壘和成見，比如有人懷疑，女性是否擁有與男性一樣的承擔(dān)某些工作的能力。有的男性同事也用“咄咄逼人”和“好斗”這些負(fù)面詞匯形容她。

但阿諾德說，“非常幸運(yùn)的是我并不在意這些人的存在，我為能夠完全忽視他們感到幸運(yùn)?！?/p>

一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)的女性，一個(gè)成功的追夢(mèng)女科學(xué)家。命運(yùn)強(qiáng)加給她的所有坎坷挫折，都被她用以砥礪自己，而她的獲獎(jiǎng)，也不過是她科學(xué)生命的新起點(diǎn)。阿諾德教授目前仍在做“定向進(jìn)化”方面的研究，但更加側(cè)重創(chuàng)造一些新的、更好的酶?！八栽诓粩喑阶晕?，通過試管模擬進(jìn)化，來創(chuàng)造自然界難以創(chuàng)造的東西?！彼膶W(xué)生這樣評(píng)價(jià)道。如今，在全世界，她至少有50余名在化學(xué)、生物化學(xué)、生物工程和生化制藥領(lǐng)域里做教授的前博士生和博士后，她在這些領(lǐng)域培養(yǎng)了不少優(yōu)秀人才。