借進化神功,馭千軍萬馬―諾貝爾化學獎又頒給生物學
2018年10月04日07:20

  來源:中國科普博覽

  2018年諾貝爾化學獎於北京時間10月3日18時許揭曉。兩位美國科學家和一位英國科學家獲得了該項榮譽。與諾貝爾物理學獎類似,化學獎也頗有“黑馬”的意思。當然,爭議歸爭議,獲獎成果本身的含金量絕對對得起這份表彰。

  諾貝爾獎委員會在最初宣佈獎項時,用深情而充滿詩意的語調,告訴大家今年三位獲獎者的獲獎理由是“利用進化的力量”。

三位獲獎學者,來源:諾貝爾獎官網
三位獲獎學者,來源:諾貝爾獎官網

  美國女科學家、加利福尼亞理工學院教授Frances H。 Arnold因在定向進化(directed evolution)領域做出的開創性工作而獨享一半的獎項。定向進化通過人為模擬進化發生的過程,誘使蛋白質等生物分子的結構發生變化,使之能夠實現特定的功能。值得一提的是,Frances H。 Arnold是第五位獲得諾貝爾化學獎的女性。

  美國科學家George P。 Smith和英國科學家Greg Winter由於在噬菌體展示技術(phage display technology)中的貢獻而分享另一半的獎項。目前噬菌體展示技術已經成為藥物開發的重要工具。

  兩組獲獎成果的本質都是利用生物細胞中內在的生理過程來實現特定的應用目的,而這個生理過程便是細胞在基因控製下合成蛋白質,它是生物體中永不停息的生化過程。今天,我們現以定向進化技術為例,介紹一下這幾位科學家發明的技術是如何利用進化的力量駕馭億萬微小分子,從而造福於世的。

葡萄糖苷酶的結構示意圖,來源:Thomas Shafee PhD thesis, CC BY 4.0
葡萄糖苷酶的結構示意圖,來源:Thomas Shafee PhD thesis, CC BY 4.0

  定向進化的本質是一種快速產生人工蛋白質的方法

  我們都知道進化一詞暗含著褒義的潛台詞,它代表了一種向上,向前的趨勢。反映到具體的物種身上,就是更快、更高、更強、更聰明,或者對某種不利條件具有更加強大的忍耐力。然而,生物體的進化,其內生的動力往往是構成生物體的細胞中,某些蛋白質的進化。這些進化的蛋白質需要突變的基因來對其進行表達,翻譯成生物學上的說法便是基因突變後,基因對應表達的蛋白質也將發生變化。也就是說,實際上蛋白質的進化也是基因突變後的自然結果。

蛋白質合成流程中的“翻譯”過程,來源:Kelvinsong@WikiPedia, CC3.0
蛋白質合成流程中的“翻譯”過程,來源:Kelvinsong@WikiPedia, CC3.0

  例如,澳州的考拉在漫長的進化過程中,形成了以桉樹葉為主食的習性,而後者可以產生令絕大多數動物死亡的毒性物質――萜烯。考拉體內與萜烯抗毒相關的基因高度表達,從而令考拉的腎臟可以將萜烯處理成水溶物質排出體外。而考拉強健的腎功能,就得益於其中用以分解萜烯的各種酶類在漫長的進化過程中,功能不斷的得到加強。

汝之毒藥,吾之蜜糖
汝之毒藥,吾之蜜糖

  定向進化是如何實現的?

  定向進化的根本思路是在人工條件下對蛋白質進行反複的變異和淘汰,從而有選擇性的製造出所希望的蛋白質。具體來說,首先利用DNA合成技術,建立一個含有多種堿基排列順序的變異集團(可以認為是一個DNA庫)。再利用這些DNA轉錄出與其結構對應的蛋白質,就可以形成一個含有多種蛋白質的蛋白質庫。這些蛋白質在實現我們具體設定的目標時候,必然有功能強弱之分,之後再差中取好,優中選精。好比在產品開發過程中,淘汰差的方案,僅僅保留其中的優異分子。

定向進化和自然選擇對比,來源:Thomas Shafee PhD thesis, CC BY 4.0
定向進化和自然選擇對比,來源:Thomas Shafee PhD thesis, CC BY 4.0

  到了這一步,好戲才剛開始。科學家們選出某優良蛋白質後,將再實施一遍上面工藝的逆過程,將轉錄該蛋白質所對應的DNA結構確定下來。然後利用已經非常成熟的PCR技術大量複製該DNA。而且,在這個複製過程中還可能同時再引入適當的變異,以期進一步提高該蛋白質的效能。這一系列的操作完成之後,就可以在極短的時間內完成蛋白質的躍變性進化。

  人工改造蛋白質的應用

  生物體中可以實現某些特定生化過程的蛋白質就是酶(也有生物酶,蛋白酶等多種叫法)。從高中課本中我們已經瞭解過,酶是活細胞製造的某些特殊蛋白質(極少數是RNA),它們參與生物體中的一系列生化反應,通過複雜而精妙的機製調控反應進行的速率、方向以及程度等,堪稱是生物體內的魔法師。在人體中,酶通常會直接依據基因記錄的遺傳信息在細胞內合成,具體的過程在此不做太多闡述,大家只要知道身體中的以酶為代表的各種蛋白質可以在基因所含遺傳信息的指導下合成即可。

  生物酶這一類蛋白質,在解決某些具體問題時,往往具有無與倫比的效率和能力。它們的功能是如此令人著迷,以至於人類不光希望弄清它們的運作原理,更想大量獲得它們從而為我所用。實際上,人工製備的生物酶已經廣泛用於洗滌劑、原油汙染處理、生物質燃料製備、殺滅有害細菌等場合。而進化控製技術正是大量製造人工酶的絕佳利器。

  據《衛報》4月16日報導,近日英國科學家在研究2016年發現的某種PET塑料(聚對苯二甲酸乙二酯)降解酶的過程中,無意間改變了該酶的結構,導致其降解PET的能力有效提高,該項幸運指數爆表的發現很有可能在未來改變人類的生活方式和整個石油工業的格局。

PET回收利用的經典路線:分類――碾碎――製粉――化學纖維――環保編織袋
PET回收利用的經典路線:分類――碾碎――製粉――化學纖維――環保編織袋
PET分解酶的分解路線,將PET轉化為兩種可降解產物,來源:參考文獻5
PET分解酶的分解路線,將PET轉化為兩種可降解產物,來源:參考文獻5

  人類目前合成的某些蛋白酶已經能夠催化一些極具應用潛力的化學反應,比如在將大氣中的二氧化碳轉化為燃料有機分子的反應,將大氣中的氮元素與氫結合合成氨的反應等,合成蛋白的催化效率與無機催化劑相比毫不遜色

  此外,不少東亞人身體中缺乏乳糖水解酶,飲用牛奶之後會產生脹氣腹瀉等等不適。而添加人工乳糖水解酶的各種牛奶,則可以極大的緩解飲用牛奶後的不適。此外,人工酶的應用還包括疾病治療。例如,人工酶有望幫助腸道疾病患者實現在胃中分解穀蛋白,從而減少腸道壓力的目的。

  可見,研究和解析酶實現其功能的原因(一般就是指解析酶的結構),再用進化控製工程實現特定結構蛋白質的合成和大量生產,就可以像生產產品一般獲得全新的蛋白酶。

蛋白質的X射線衍射圖譜,後者是經典的蛋白質結構解析手段,來源:Jeff Dahl@Wikipedia
蛋白質的X射線衍射圖譜,後者是經典的蛋白質結構解析手段,來源:Jeff Dahl@Wikipedia

  定向進化所代表的蛋白質人工合成技術,為人類在微觀層面上操作蛋白質、噬菌體等大型分子提供了有利武器。這些分子中的每一個都微於塵土,然而它們集聚在一起所能開拓的未來卻無限廣闊。感謝三位科學家以及該領域的所有科學工作者,感謝它們讓人類駕馭這些奇妙的分子成為可能。

  參考文獻:

  1.https://gunosy.com/articles/RzInM

  2.https://www.theguardian.com/environment/2018/apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles

  3.https://www.theguardian.com/environment/2016/mar/10/could-a-new-plastic-eating-bacteria-help-combat-this-pollution-scourge

  4.http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196

  5.https://www.keio.ac.jp/en/press_releases/2016/cb96u90000005501-att/160330_2.pdf

  6.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26291558

  7.http://www.pnas.org/content/pnas/early/2018/04/16/1718804115.full.pdf

  (本文中標明來源的圖片均已獲得授權)

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