2018年度諾貝爾化學獎又雙衫磣勱保坎淮嬖詰模
2018年10月04日07:27

  來源:科學網微信公眾號

  北京時間10月3日下午,2018年諾貝爾化學獎揭曉,用一句話劃出重點:來自美國和英國的三位科學家因為將“進化”引入實驗室創造出新型化學品而獲獎,其中一位是女性科學家。

  他們是――

  美國科學家弗朗西絲?阿諾德(Frances H。 Arnoid)、喬治?史密斯(George P。 Smith)和英國科學家格雷戈里?溫特(Sir Gregory P。 Winter)。

  在分獎金方面,弗朗西絲?阿諾德因研究酶的定向進化而分享一半獎金,而喬治?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而共享另一半獎金。

  ● 掌控進化,是今年諾獎化學獎的關鍵詞。

  “化學獎又雙衫磣勱繃耍俊

  “化學獎又頒給了生物學家?”

  “我們感到很失望!”

  得知這個消息的第一時間,搞化學的小夥伴們哭暈在十一黃金週的人山人海中。

  不過,事實並沒有那麼悲觀。

  化學,是和物理、生物一樣的一級學科,總結的是分子、原子層面的規律。

  評價化學家在基礎科學領域的最高成就,無外乎發現新元素、發展出新反應和搞出新產物這幾點。

  例如,1911年頒給居里夫人發現釙和鐳,2005年頒給伊夫?肖萬等人發展烯烴複分解反應及2010年頒給理查德?赫克等人發展鈀催化的交叉偶聯反應,1987年頒給唐納德?克拉姆等人合成的大環聚醚化學等。

  那,今年這個關於進化的故事,為什麼是一個不折不扣的化學獎?

  根據諾貝爾化學委員會主席克拉斯?古斯塔夫鬆(Claes Gustafsson)的發言:“今年的諾貝爾化學獎獎勵的是一場基於進化的革命。我們的獲獎者已經在試管中應用了達爾文的原理,並利用這種方法開發出造福人類的新型化學品。”

  所以,首先,基於獲獎者的工作,新!型!化!學!品!被創造出來。

  ● 讓我們再看看三位科學家的具體工作:

  1993年,弗朗西絲?阿諾德進行了第一次酶的定向進化,酶是催化化學反應的蛋白質。

  此後,她改進了目前用於開發新型催化劑的常規方法。

  弗朗西絲?阿諾德的酶的用途包括生產環境更友好的化學物質,如製藥以及為更加綠色的運輸環節進行可再生燃料的生產。

  來源:

  http://www.che.caltech.edu/groups/fha/Pictures.htm

  1985年,喬治?史密斯發明了一種被稱為噬菌體展示的良好方法。

  作為一種感染細菌的病毒,噬菌體在新的方法下“進化”出了新的蛋白質。

  隨後,格雷戈里?溫特完成了抗體的定向演化,並以此生產出新的藥物。

  第一個藥物阿達木單抗於2002年獲批,用於治療類風濕關節炎、銀屑病和炎症性腸病。

  阿達木單抗的化學結構式

  第二,從方法論上看,三位科學家都借鑒生物學的反應方法產生新化學物質,化學領域新時代已經開啟。

  除了產生新物質,還創造了新反應,他們搞的是不折不扣的化學啊!

  所以,這不是化學獎是什麼獎?!

  ● 縱觀最近五年諾貝爾化學獎,充分說明一個道理:想得諾貝爾獎嗎?去搞化學吧!

  2013年,頒給三位化學家在為複雜化學系統創立了多尺度模型上的成就(很化學)

  2014年,頒給三位物理學家在超解像度顯微鏡上的成就

  2015年,頒給三位生物學家在DNA修復機製上的成就

  2016年,頒給三位化學家在分子機器上的成就(很化學too)

  2017年,頒給Jacques Dubochet等三位生物物理學及分子生物學科學家在冷凍電鏡上的成就(理綜獎無疑)

  正如《科學》雜誌報導,澳州墨爾本皇家理工大學化學家奧利弗?瓊斯(Oliver Jones)在英國科學媒介中心發佈的一份聲明中說:“化學在我們的生活中支撐了很多東西,儘管它並不總是那麼明顯,所以這些發現能夠得到認可非常好。”

  So,化學是你、化學是我……

  來看看中國科學家怎麼說吧

  Q1:酶的定向進化的科學意義何在?

  華南理工大學生物科學與工程學院院長林章凜:

  從蒸汽時代開始,人類總是希望能理性設計出一些分子,比如化學分子現在已經能設計得很好。但是,生物分子和生物體系是比較複雜的。

  1990年以前,人類一直想理性設計蛋白質,卻一直不太成功。

  弗朗西絲?阿諾德教授的巨大原創性貢獻在於,坦率承認人類到目前為止還沒有很好的辦法理性設計生物分子如蛋白質,應該轉而學習自然進化。

  她在實驗室中模擬自然界的自然進化,通過隨機突變、隨機雜交,再加以適當規模的篩選或者選擇,來進化出新的生物分子。

  這對於生物化學界來說,是一種哲學和方法學的巨大貢獻。

  阿諾德這種哲學和方法學上的突破可以應用到多個領域。

  例如,工業上可以進化出一些有用的酶,用來綠色製造。

  全球最大的工業酶企業諾維信公司所開發和生產的多種工業酶,就是利用了這種方法。這種方法同樣可應用到生物醫藥領域。

  浙江大學生物工程研究所教授於洪巍:

  傳統的生物催化劑的開發,通常是在自然界中篩選。

  比如從土壤中、水中進行天然的篩選方法,但是這種週期很長,而且效率也偏低。

  酶的定向進化技術,它是從基因水平對其進行改造,讓它表達出和原來野生型不同的,或者是性質得到提高的生物催化劑。

  那麼中間過程到底發生什麼了呢?主要是在基因擴增過程中,不斷地發生突變,來模擬自然進化中發生的突變。

  然後,再通過高通量的篩選方法把我們所需要的,具有我們想要的特徵的生物催化劑,把它篩選出來。

  酶的定向進化的真正意義在於,它從分子水平上對酶進行改造,根據我們的意願,根據實際需求,有針對性的開發生物催化劑。

  Q2:為何短肽和抗體的噬菌體展示技術可以獲得今年諾貝爾化學獎?

  中科院廣州生物醫藥與健康研究院研究員李懿:

  1986年,那時我大學將要畢業,格雷戈里?溫特爵士在倫敦皇家學院講蛋白質工程和治療性單複製抗體方面的研究時,就提到過如何用抗體做藥的概念。

  早在上世紀90年代他的人源化抗體技術就獲得諾貝爾獎提名,但是並沒有頒發給他,應該說當時還需要證據讓人們看到這個技術能為人類帶來多大的好處。

  今年授予他諾貝爾化學獎,可以說明諾貝爾獎評委對抗體噬菌體展示領域的深入觀察,在過去已經為免疫學和人類作出了關鍵性的貢獻。我覺得這一技術平台還會在將來作出更多的貢獻。

  喬治?史密斯是第一位在《科學》雜誌上發表利用噬菌體展示技術進行短肽分子展示的科學家。

  這一技術的發明實現了基因與表現型(蛋白/短肽)直接的連接,並可根據表現型篩選出相應的基因。

  當時,我就認為是繼孟德爾之後生物領域最偉大的發現之一。

  因為這一技術實現了在短短兩週內由表現型篩選出其編碼基因。這讓人們可以幾乎任意地挑選(設計)所需要的蛋白/短肽。

  經過30多年的技術的發展,已產生了很多有用的短肽和抗體,並且造福人類。

  Q3:和獲獎者有哪些“往事”?

  於洪巍:

  我2005年至2006年在阿諾德實驗室工作過,我那時候在新加坡讀博士後然後去她實驗室做訪問。那時候她正患了癌症,我還記得她那時候剃著光頭,但是她非常積極樂觀,這一點讓我非常感動。

  林章凜:

  1996年至1999年期間,我在加州理工學院阿諾德教授實驗室做博士後。

  她是我見過的最聰明的人,能解決別人解決不了的問題,因此也成為美國非常少的科學院、工程院和醫學院“三院”院士之一。

  除了聰明,我對阿諾德教授印象非常深刻的是,她對科學的基本問題持有極大研究興趣,比如對進化的原動力有好奇心。

  這些對科學基本問題的研究往往會帶來重大技術突破。這一點對我們的教育和科研體製有很大啟發。

  憑藉1993年的酶定向進化成果,阿諾德教授順利拿到加州理工學院的終身教授。

  這也說明美國的科研體製不是看文章數量,而主要看對科學的原創性貢獻。

  Q4:中國科學家在上述獲獎領域的研究如何?

  於洪巍:

  在我國,在工業上應用的很多酶也都是在實驗室裡通過對酶在分子水平上進行改造後,提高它各方面的性能,然後投入實際的生產當中。

  而且隨著合成生物學技術的不斷髮展,在代謝過程中的一些關鍵酶,也越來越多的採用定向計劃的技術來進行改造,來提高代謝過程中關鍵酶的催化性質。

  我們實驗室在這方面做了大量的工作,不僅僅單純對單一的酶在體外進行催化,我們很重要的工作是細胞內代謝過程中一些酶進行改造,提高它的代謝效率。

  李懿:

  我國在噬菌體展示領域處在“緊跟”的狀態,國外的噬菌體展示技術經過幾十年的積累沉澱,才有了20世紀80年代末期的發明成果。

  目前我國在科研方面的投入偏向於應用,基礎研究領域需要加大科研經費投入,尤其是要支援年輕科學家開展科學研究,才能繼續推進新技術的原創性研發。

  Q5:是不是真“化學獎”?

  李懿:

  我們看到,今年的諾貝爾醫學獎和化學獎,都授予了與免疫學有關的研究,這讓我們非常震驚,在免疫學領域,這是爆發性的成果。

  很明顯,有非常重要的臨床藥物是由噬菌體技術研發出來的,現在授予他們是非常正確的。

  噬菌體展示技術在定向分子進化過程中發揮非常大的作用,不僅能夠篩選出不同結構的分子,還能篩選不同的酶以及他們的活性,這是化學和生物的交叉地帶。

  上海交通大學化學化工學院教授張萬斌:

  獲獎科學家用生物的方法來轉變化學物質,獲得新的化學物質,這應當被視為是在化學上的突破。

  於洪巍:

  我想這裏可能存在一個誤區,生物技術或者說是生物催化,主要是解決的是有機合成中的關鍵問題,也就是說化學催化過程中那些催化效率低,或者用化學催化劑很難合成的化學分子,生物催化劑就能展示出來它應有的優勢。所以酶工程的工作主要還是為化學服務的,不能簡單的區分開究竟是做化學的還是生物的。

  這次諾獎的頒發讓我感覺諾獎的頒獎風向標好像有所改變,往應用技術的方向有所傾斜。

  林章凜:

  生物化學是化學的一個分支,屬於經典化學的範疇,有很長的研究歷史,並不是新興交叉學科。從最近十來年的化學獎獲獎成果也可以看出,其中很多給了生物化學。

  Q6:為何鍾情於生物領域?

  中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉:

  諾貝爾化學獎多次授予與化學有關交叉學科,也許側重點或者出發點是從生物角度,但是其實很多都是跟化學有關的,例如原先的PCR(聚合酶鏈式反應)。

  什麼是化學?從定義上看,由於化學反應產生新的分子、新的物質都屬於化學過程。

  很多化學過程產生新的分子,或者為了產生新的分子,都用了生物的方式產生。

  這實際上本質上是一種化學過程、化學反應。而這更體現出化學學科的開放與包容,涉及面更寬,化學和其他學科的交融性很強。

  中科院院士、中國科學院上海有機化學研究所所長丁奎嶺:

  無論是物理學家還是生物學家,他們都為分子水平認知世界提供了創新的工具和方法,所研究的領域本質上其實還是化學研究的分子科學範疇。

  這次獲獎體現了生物與化學的交叉與融合,儘管是生物學家做出的事情,但他們促進了從分子水平認知生物體的變化。

  化學家其實也在努力改變生物和材料等領域,化學家的很多工作,也在不斷深刻影響著生物和材料領域。

  比如2001年諾貝爾化學獎得主Barry Sharpless教授,在1998年就拋棄了自己有望獲諾獎的手性催化領域,提出了點擊化學概念,就是希望通過發展最好的化學方法,能夠徹底影響和改變其他領域,事實上他的點擊化學已經在生物,醫藥和材料領域發揮了巨大作用。

  這也印證了一個說法,出創新的東西,要麼在交叉、要麼去深挖,只有到了科學的“無人區”,才會有所發現和創新。

  綜上,今年諾貝爾化學獎就是真化學獎!不服來辯,留言區歡迎您~

  (作者:中國科學報記者甘曉 陳歡歡 見習記者高雅麗 程唯珈,中國科學報記者黃辛對本文亦有貢獻)

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