深度解讀2018諾貝爾化學獎:馴服進化的力量
2018年10月03日20:17
2018年諾貝爾化學獎授予在進化控製做出貢獻的科學家,未來他們將在實驗室進一步深入研究。
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  2018諾貝爾獎專題

  新浪科技訊 北京時間10月3日消息,據國外媒體報導,進化的力量在生物的多樣性中得到了充分展現。2018諾貝爾化學獎頒發給弗朗西絲・阿諾德、喬治・史密斯和格雷戈里・溫特爵士,獎勵他們研發出控製進化過程的方法、並利用這些方法造福人類。通過定向進化製造的酶可用於生產各類產品,包括生物燃料、藥品等等。利用噬菌體展示技術生產的抗體能夠對抗自體免疫疾病,在有些情況下甚至能治癒轉移性癌症。

  在我們生活的地球上,有一支名為“進化”的強大力量。自37億年前地球上出現首批生命以來,幾乎每寸地表中都填滿了不斷對環境做出適應的生命體:比如生長在貧瘠山脊上的地衣,在熱泉中頑強生存的藻類,乾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光的水母。

  我們在生物課上都學過這些生物,但現在讓我們轉變一下視角,從化學家的角度看待它們。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複雜的化學問題。所有生物都能從周邊環境中提取可用的物質和能量,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,因此它們在極地冰洋中也能暢遊無阻;貝類能分泌一種水下分子膠,因此可以牢牢粘附在岩石上。

  這些化學反應的絕妙之處在於,它們已經被編寫進了我們的基因中,能夠代代相傳、不斷演變。基因如果發生了一點兒意外變化,就會改變這種化學反應。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。隨著新的化學反應逐漸出現,地球上的生命也變得愈加複雜。

酶定向進化的基本原理。經過幾個週期的定向進化之後,一種酶可能會有幾千倍的效果。1、隨機突變是隨機引入基因的,這種酶最終會被改變;2、這些基因被插入細菌之中,細菌將它們作為模板,隨機性製造突變酶;3、這種改變的酶物質已被測試,它們在催化所需化學反應方面十分有效。
酶定向進化的基本原理。經過幾個週期的定向進化之後,一種酶可能會有幾千倍的效果。1、隨機突變是隨機引入基因的,這種酶最終會被改變;2、這些基因被插入細菌之中,細菌將它們作為模板,隨機性製造突變酶;3、這種改變的酶物質已被測試,它們在催化所需化學反應方面十分有效。

  受益於這些進化過程,有三個人竟然複雜到自己掌握了控製進化過程的能力。2018年諾貝爾化學獎頒給了弗朗西絲・阿諾德、喬治・史密斯和格雷戈里・溫特爵士三人,因為他們使化學界發生了革命性變化,並通過定向進化技術促進了新藥的研發。首先來介紹一下酶工程領域的明星:弗朗西絲・阿諾德。

  酶――生命最強大的化學工具

  早在1979年、弗朗西絲・阿諾德還是一名剛畢業的機械與航空航天工程師時,她就已經有了一套明確的規劃,希望通過新技術的研發造福人類。美國當時決定,到2000年前,20%的能源都要由可再生能源提供。於是阿諾德也參與了太陽能的研究。但到了1981年總統大選之後,該行業的前景預期發生了巨變,因此阿諾德將研究重點轉向了新興的 DNA 技術。她對此表示:“要想以全新的方式製造我們日常所需的材料與化學物質,就需要重新改寫生命編碼。”

  她並未打算採用傳統化學方法生產藥物、塑料和其它化學物質,因為這些方法往往要用到強效溶劑、重金屬和腐蝕性酸。相反,她決定利用生命的化學工具――酶。酶能夠催化生物體內的化學反應。假如阿諾德能掌握製造新酶的方法,就能根本性地改變化學界。

  人類思維的局限性

  弗朗西絲・阿諾德一開始像其他很多80年代末的科學家一樣,試圖通過重新搭建酶的結構來賦予它們新的性質。但酶的分子結構極為複雜,由20種不同的氨基酸分子構成,且聯結方式可能多達無限種。單個酶中可能包含數千個氨基酸分子,它們相互聯結成一條長鏈,再摺疊成空間三維結構。催化特定化學反應所需的環境就是在這些結構中產生的。

  即使利用目前的化學知識和計算機,也很難通過邏輯破解和重建這些極為複雜的分子結構。因此在90年代初,弗朗西絲・阿諾德面對大自然的強大力量,選擇了放棄。用她的話來說,這種方法“顯得有些不自量力”。她決定在大自然優化化學反應的方法――進化中尋求靈感。

  阿諾德開始研究進化

  她花了幾年時間,試圖改變一種名叫“枯草杆菌蛋白酶”的酶,讓它能夠在有機溶劑“亞甲基甲硫胺(DMF)” 、而非水基溶劑中催化化學反應。她先讓這種酶的遺傳編碼發生隨機變異,再把這些變異基因引入到細菌中,這樣就培育出了數千種枯草杆菌蛋白酶的變種。

  接下來的挑戰是,從這麼多變種中找出在有機溶劑中催化效果最好的一種。在進化中,我們會說適者生存;而在定向進化中,我們把這一階段叫做“選擇”。

  弗朗西絲・阿諾德利用了枯草杆菌蛋白酶能夠分解酪蛋白的性質。她先是選出了在含有35%亞甲基甲硫胺的溶液中分解酪蛋白效果最好的枯草杆菌蛋白酶變種,然後再讓這種蛋白酶基因發生一輪隨機變異,從而培育出了在亞甲基甲硫胺溶液中效果更好的新變種。

  在第三代枯草杆菌蛋白酶中,她找到了一種效果勝過原始蛋白酶256倍的變種。該變種中含有十多種不同的基因變異,而這些變異的效果都是無法提前預料的。

  弗朗西絲・阿諾德通過這項研究展示了利用概率和定向進化培育新酶的效果。這是人類朝掌握進化邁出的第一步、也是最具決定性的一步。

  下一步研究由2013年逝世的荷蘭研究者和企業家威勒姆・斯坦莫(Willem P。 C。 Stemmer)做出。他為酶的定向進化引入了一個新維度:在試管中展開基因配對。

  配對――為了更穩定的進化

  自然進化的前提之一是,來自不同生物體的基因要通過交配或傳粉相互混合。這樣一來,有益於生物的性質就可以相互結合,使生物更加強大。與此同時,對生物無益的基因變異則會在代代相傳的過程中逐漸消失。

  威勒姆・斯坦莫利用了 DNA 改組技術,相當於在試管中進行基因配對。1994年,他證明了可以將同一基因的不同版本切成若干小片段,然後在 DNA 技術工具的幫助下,將這些小片段整合成一段完整的基因。

  經過幾輪 DNA 改組之後,威勒姆・斯坦莫已經使酶發生了巨大變化,大大增強了酶的效果。這說明基因重組技術可以進一步提高酶進化的效率。

  新型酶可生產可持續的生物燃料

  DNA 工具自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。弗朗西絲・阿諾德一直走在這些發展的前列。她所在實驗室中製造的酶甚至能夠催化自然界中不存在的化學反應,從而製造出全新的材料。經她“量身定做”的酶已經成為了多種物質的重要生產工具,如藥物生產等。利用這些酶,化學反應速度得以大大提高,副產物也明顯減少,在有些情況下,還能杜絕傳統化學反應中重金屬的使用,因此顯著減小了對環境的影響。

  事情總會不斷循環,弗朗西絲・阿諾德如今又開始了對可再生能源生產的研究。她的研究團隊研發了幾種酶,能夠把簡單的糖類轉化成異丁醇。這種物質富含能量,可用於生產生物燃料和環保塑料。他們的長期目標之一是,通過生產更環保的燃料,打造更有利於環境的交通運輸行業。借阿諾德研發的酶製造的其它燃料還可用在小汽車和航天飛機上。由此看來,她研發的酶對更加綠色環保的世界做出了卓越貢獻。

  現在再將目光轉向2018諾貝爾化學獎的另一項獲獎研究:利用定向進化研發能夠中和毒素、抗擊自體免疫疾病、甚至治癒轉移性癌症的新藥。在這項研究中,一種能夠感染細菌的小小病毒發揮了關鍵作用,該方法就叫做“噬菌體展示技術”。

  噬菌體展示――這是喬治・史密斯開發的一種基於已知蛋白質尋找未知基因的方法。1、史密斯在噬菌體膠囊中引入一種基因,之後噬菌體DNA被插入製造噬菌體的細菌體內;2、從引入基因製造的肽可作為噬菌體表面的部分蛋白質膠囊;3、史密斯能夠用一種附著在肽上的抗體清除噬菌體,作為獎勵,他獲得了肽的基因。
  噬菌體展示――這是喬治・史密斯開發的一種基於已知蛋白質尋找未知基因的方法。1、史密斯在噬菌體膠囊中引入一種基因,之後噬菌體DNA被插入製造噬菌體的細菌體內;2、從引入基因製造的肽可作為噬菌體表面的部分蛋白質膠囊;3、史密斯能夠用一種附著在肽上的抗體清除噬菌體,作為獎勵,他獲得了肽的基因。

  史密斯利用噬菌體

  科學研究往往不走尋常路。上世紀80年代上半葉,當喬治・史密斯開始利用噬菌體進行研究時,主要是希望能用它來複製基因。當時 DNA 技術才剛剛起步,人類基因組仍是一塊未發現的大陸。研究人員知道,DNA 中含有合成蛋白質所需的全部基因,但要確定合成某種特定蛋白質需要的基因,簡直比大海撈針還難。

  但有些科學家真的找到了這些基因,並從中獲得了巨大的好處。利用當時最新的基因工具,這些基因可以被嵌入細菌中,如果運氣好,就能大規模生產研究所需的蛋白質。這個過程就叫“基因複製”。喬治・史密斯當時的想法是,研究人員們可以通過一種全新的方式,對噬菌體進行利用。

  噬菌體――蛋白質與其未知基因之間的紐帶

  噬菌體非常簡單。它們只含有很少的遺傳物質,這些物質被封存在保護性的蛋白質外殼內。當它們繁殖時,它們會將自己的遺傳物質注入細菌體內並劫持後者的新陳代謝作用。細菌的身體成了一座工廠,不斷產生噬菌體的遺傳物質複製品和蛋白質,這些物質將被合成新一代的噬菌體。

  喬治・史密斯的想法是,我們或許可以利用噬菌體的簡單結構來搜尋一種已知蛋白質的未知基因。此時,大型分子數據庫已經出現了,其中包含有大量不同的未知基因片段。史密斯認為,這些未知的基因片段可以和噬菌體蛋白膜上的一種蛋白質的基因放到一起。當新的噬菌體產生時,對應於那些未知基因的蛋白質將出現在噬菌體的表面,作為其蛋白膜的一部分。

  能夠“釣出”正確蛋白質的抗體

  這種方法產生的噬菌體表面將含有大量不同的蛋白質。在下一階段,喬治・史密斯猜想,科學家們將可以使用抗體作為“釣鉤”,從中“釣”出不同的已知蛋白質。抗體的作用有點像是精確製導彈藥,它們可以在數十萬的不同蛋白質中識別並與特定蛋白質相結合,精確度極高。如果科學家們使用抗體“魚鉤”真的“釣”到了什麼,而這種抗體是他們知道附著於某種已知蛋白質的,那麼他們也將順手收穫到同樣屬於這一蛋白質的一段當時未知的基因。

  這種一個絕妙的想法,在1985年,喬治・史密斯證明這項技術是行得通的。他培育出一種表面攜帶有肽分子的噬菌體。借助一種抗體,他成功地從許許多多噬菌體中將他培育的那個特別的噬菌體“釣”了出來。通過這項實驗,喬治・史密斯奠定了今天我們稱之為“噬菌體展示”的技術的基礎。這項技術具有驚人的簡潔性。其強大功能在於,噬菌體被作為聯繫蛋白質與其對應基因的紐帶。

  然而,這項技術最大的突破意義卻並不在基因複製領域。大約在1990年前後,幾個研究組開始將這項技術應用於新型生物分子的開發。其中一位研究者正是格雷戈里?溫特。正是得益於溫特的工作,噬菌體展示技術能夠服務於人類社會的最大福祉。而要想理解這背後的故事,我們還需要更進一步瞭解什麼是抗體。

  使用噬菌體展示的抗體定向進化原理。該方法被用於生產新的藥物。1、抗體結合位點的遺傳信息被插入到噬菌體DNA之中。此後可用於創建一個具有多樣性的抗體庫;2、對於一個被選定特殊目標、具有強附著性的噬菌體;3、在進行另一種選擇之前,隨機突變將被引入,附著在目標抗體上;4、隨著新一代抗體的出現,抗體會更加強烈地附著在目標蛋白質上。
  使用噬菌體展示的抗體定向進化原理。該方法被用於生產新的藥物。1、抗體結合位點的遺傳信息被插入到噬菌體DNA之中。此後可用於創建一個具有多樣性的抗體庫;2、對於一個被選定特殊目標、具有強附著性的噬菌體;3、在進行另一種選擇之前,隨機突變將被引入,附著在目標抗體上;4、隨著新一代抗體的出現,抗體會更加強烈地附著在目標蛋白質上。

  阻斷疾病鏈條的抗體

  人體的淋巴系統內含有一些細胞,其能夠產生數以十萬計的不同抗體。透過一種精妙的系統,這些細胞都會經過測試,使其產生的抗體不會與我們身體內的各種不同的分子發生結合。但這種巨大的多樣性則意味著,總會有抗體會與感染我們身體的病毒或細菌發生結合。

  當發生這種結合時,這些抗體會發出一個信號給免疫細胞,後者將過來消滅入侵者。由於抗體結合具有高度選擇性,可以在數以十萬計的各類分子中準確找到自己應該結合的目標,研究者們長期以來一直希望能夠設計出一種抗體,其能夠阻斷人體內疾病發生的鏈條,從而起到類似藥物的作用。最開始,我們需要獲得這些治療性抗體,實驗小鼠被注射入各類不同目標物質,以進行相應藥物的生產,比如取自癌細胞的蛋白質。

  然而,在1980年代,事情變得越來越清晰,那就是這種方法存在自己的局限性,有些物質對於實驗小鼠是有毒的,其他一些則無法得到抗體。另外,科學家們發現,透過這種方式獲得的抗體會被病人的免疫系統識別為入侵者並加以攻擊。這將導致來自小鼠的抗體被摧毀,患者還有患上其他併發症的風險。正是這一問題讓格雷戈里?溫特開始著手研究喬治・史密斯所開創的噬菌體展示技術的應用潛力。他想要避免使用小鼠,轉而基於人類抗體進行藥物開發,因為它們更加容易被我們的免疫系統所接受。

  溫特將抗體至於噬菌體的表面

  抗體是Y型的分子,這種樹杈狀結構的兩個分叉末端是與外來入侵物質進行結合的點位。格雷戈里?溫特將抗體這一部分的對應基因信息與噬菌體的一個莢膜蛋白對應基因信息進行結合,在1990年,他成功實現了抗體在噬菌體表面的結合。他所使用的抗體被設計為能夠與一種被稱作phOx的小分子進行結合。

  隨後,格雷戈里?溫特使用phOx作為一種分子魚鉤,成功將表面上結合有抗體的噬菌體從其他數以百萬計的噬菌體中分離出來。很快,格雷戈里?溫特便證明,他可以將噬菌體展示技術應用於抗體的定向進化。他建立起一個噬菌體數據庫,記錄噬菌體表面抗體的數十億種變化。基於這一數據庫,他可以篩選出可以與不同目標蛋白質相結合的抗體。

  隨後,他隨機性改變他的第一代抗體並創建一個新的數據庫並在其中發現了與目標結合更加穩固的抗體。比如在1994年,他使用這種方法開發出能夠與癌細胞相結合的抗體,具有相當高的精準性。

  世界第一種基於人類抗體的藥物

  格雷戈里?溫特和同事們創立了一家基於抗體噬菌體展示技術的公司。在1990年代,這家公司開發出一種新藥,其完全基於基於一種人類抗體:“阿達木單抗”(adalimumab)。這種抗體能夠中和一種蛋白質TNF-α,這種蛋白質在許多自身免疫疾病中引發炎症。在2002年,這種藥物被批準用於類風濕性關節炎,而現在這種藥物更是被應用於不同類型的牛皮癬以及炎症性腸道疾病的治療。

  “阿達木單抗”的成功在製藥行業掀起波瀾,噬菌體展示技術被很快應用於生產癌症抗體和其他藥物,其中有一種藥物能夠釋放人體殺手細胞,以便後者去對腫瘤細胞發起攻擊。腫瘤細胞的生長將被遲滯,甚至在某些案例中,成功治癒了患有轉移性腫瘤的患者,這在腫瘤治療史上是一項重要的成就。另一種已經被批準的抗體藥物則可以被用於中和引發炭疽的細菌性毒素,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於臨床實驗階段,其中包括對抗阿爾茲海默症的藥物。

  化學新紀元的開端

  2018年諾貝爾化學獎獲獎人所引入的方法已經得到全球廣泛應用,它讓化學工業變得更加綠色環保,幫助產生新的物質,生產數量可觀的生物燃料,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,讓今年的三位獲獎人弗朗西絲?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造最大福祉,並對化學領域的一場深刻革命奠定了基礎。(葉子,晨風,悠悠)

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